Spaltpolmotor

Eine Wicklung am Einphasennetz erzeugt ein Magnetfeld, das im Takt der Netzfrequenz auf- und abschwillt und dabei die Richtung wechselt. So ein Feld nennt man Wechselfeld: Es pulsiert immer entlang derselben Achse, mal stark in die eine Richtung, mal stark in die andere, dazwischen null. Was es nicht tut: sich drehen.

Genau das ist das Problem. Ein Käfigläufer (der Rotor mit den kurzgeschlossenen Leiterstäben) braucht ein Feld, das sich um ihn herumdreht, um mitgenommen zu werden. Ein Drehfeld entsteht aber erst, wenn mindestens zwei räumlich versetzte Felder zeitlich verschoben pulsieren — dann setzt sich aus ihnen ein Feld zusammen, dessen Maximum im Kreis wandert. Beim Drehstrommotor erledigen das die drei um 120° versetzten Phasen ganz von selbst.

Am Einphasennetz gibt es diese Verschiebung nicht. Steht der Rotor still, zieht das pulsierende Wechselfeld ihn abwechselnd in beide Drehrichtungen gleich stark — die Wirkungen heben sich auf, der Motor läuft nicht von allein an. Läuft er erst einmal, hält ihn das Wechselfeld in Bewegung, aber aus dem Stand fehlt das Anlaufmoment.

Die Lösung aller Einphasen-Asynchronmotoren ist deshalb dieselbe: ein zweites, zeitlich verschobenes Feld künstlich erzeugen. Beim Kondensatormotor übernimmt das eine Hilwickerlung mit vorgeschaltetem Kondensator; das Drehfeld an sich ist ein eigenes Thema. Der Spaltpolmotor geht einen viel einfacheren Weg — und der steckt komplett in einem Stück Kupferdraht.

Der Spaltpolmotor hat ausgeprägte Pole, auch Schenkelpole genannt — also deutlich herausstehende Polschuhe, um die die Hauptwicklung gewickelt ist. Das unterscheidet ihn vom Drehstrommotor, dessen Wicklung in Nuten eines glatten Blechpakets liegt.

Das eigentliche Merkmal sitzt am Polschuh selbst. Jeder Pol ist durch eine Nut in zwei ungleiche Teile geteilt — daher der Name. Um den kleineren Teil liegt eine einzelne, in sich kurzgeschlossene Kupferwindung: der Kurzschlussring (auch Spaltpolring oder Kurzschlusswindung). Dieser Ring hat keinen Anschluss nach außen, er ist einfach ein geschlossener Kupferbügel um den abgespaltenen Polteil.

Der Rotor ist ein gewöhnlicher Käfigläufer: ein Blechpaket mit eingegossenen oder eingelegten Leiterstäben, die an den Enden durch Kurzschlussringe verbunden sind. Er hat keinen elektrischen Anschluss, keine Bürsten, keinen Kommutator. Strom fließt in ihm nur, weil das Feld des Stators ihn hineininduziert.

Sowohl die Pole als auch der Rotor bestehen aus lamelliertem Blech — dünnen, gegeneinander isolierten Blechschichten. Wäre der Kern massiv, würde das wechselnde Feld kräftige Wirbelströme im Eisen erzeugen, die das Material aufheizen und Energie vernichten. Die Schichtung unterbricht diese Ströme und hält die Verluste klein.

Zusammengefasst besteht der Motor also aus wenigen, robusten Teilen: Statorblechpaket mit ausgeprägten Polen, eine Hauptwicklung, pro Pol ein Kurzschlussring und ein Käfigläufer. Keine Schalter, keine Kondensatoren, kein Verschleißteil im Stromkreis.

Jetzt zum Kern. Die Hauptwicklung baut im Pol ein Wechselfeld auf, das im Takt der Netzfrequenz steigt und fällt. Dieses Feld durchsetzt beide Polteile — den großen und den kleinen mit dem Kurzschlussring.

Solange das Feld sich ändert, wird im Kurzschlussring ein Strom induziert. Und hier greift die Lenzsche Regel: Der induzierte Strom erzeugt ein Magnetfeld, das seiner Ursache entgegenwirkt — also der Änderung des Hauptfeldes. Im abgespaltenen Polteil bremst dieses Gegenfeld den Flussaufbau. Der Fluss im kleinen Polteil kann der Hauptwicklung nicht sofort folgen, er hinkt ihr zeitlich hinterher.

Damit haben wir die entscheidende Zutat: zwei Flüsse, die räumlich nebeneinander liegen (großer und kleiner Polteil) und zeitlich gegeneinander verschoben sind. Genau das ist die Bedingung für ein Drehfeld. Praktisch heißt das: Das Feldmaximum erscheint zuerst im großen Polteil und etwas später im abgespaltenen Polteil. Das Feld scheint über die Polfläche zu wandern — vom Hauptteil hin zum gespaltenen Teil.

Dieses wandernde Feld zieht den Käfigläufer mit. Es reicht für ein bescheidenes, aber ausreichendes Anlaufmoment, und der Rotor läuft in Richtung der Feldwanderung an.

Daraus folgt eine wichtige Eigenschaft: Die Drehrichtung liegt baulich fest. Sie wird allein durch die Lage des Kurzschlussrings bestimmt — das Feld wandert immer vom großen zum gespaltenen Polteil. Vertauschen der Netzanschlüsse ändert daran nichts, weil sich dabei beide Flüsse gleich umpolen und ihr zeitlicher Versatz erhalten bleibt. Wer die Drehrichtung umkehren will, müsste den Rotor mechanisch umdrehen oder eine zweite, spiegelbildlich angeordnete Wicklung mit eigenem Ring vorsehen. Beim einfachen Spaltpolmotor ist die Drehrichtung schlicht nicht umschaltbar.

Der Spaltpolmotor ist ein Asynchronmotor. Das heißt, der Rotor dreht etwas langsamer als das Statorfeld. Diese Differenz heißt Schlupf, und sie ist nötig, damit überhaupt Strom in den Käfigläufer induziert wird — bei exakt gleicher Drehzahl würde sich für den Rotor nichts mehr ändern, es flösse kein Strom und es entstünde kein Moment.

Die Drehzahl des Statorfeldes — die Synchrondrehzahl — hängt nur von der Netzfrequenz und der Polpaarzahl ab:

Bei 50 Hz und einem Polpaar dreht das Feld also mit 3000 1/min, bei zwei Polpaaren mit 1500 1/min. Der Rotor bleibt immer etwas darunter.

Der Schlupf beschreibt, wie weit der Rotor zurückbleibt, als Anteil der Synchrondrehzahl:

Typisch für den Spaltpolmotor sind drei Dinge. Erstens ein kleines Anlaufmoment: Der Versatz über den Kurzschlussring ist deutlich schwächer als das saubere 90°-Feld eines Kondensatormotors, deshalb startet der Spaltpolmotor zwar zuverlässig, aber kraftlos — er eignet sich nur für Lasten, die leicht anlaufen. Zweitens ein schlechter Wirkungsgrad: Im Kurzschlussring fließt dauernd ein Strom, der das Feld erzeugt, aber als Wärme verloren geht; dazu kommen die üblichen Verluste im Eisen und im Rotor. Wirkungsgrade unter 30 % sind bei kleinen Typen normal. Drittens kleine Leistungen: Üblich sind wenige Watt bis etwa 300 W. Für mehr lohnt sich der einfache Aufbau nicht, weil die Verluste zu stark ins Gewicht fallen.

Den Spaltpolmotor findet man überall dort, wo wenig Leistung gebraucht wird, der Anlauf leicht ist und der Preis zählt. Klassisch sind kleine Lüfter und Ventilatoren — im Backofen, in der Mikrowelle, in Geräten zur Gehäusekühlung. Dazu kommen kleine Gebläse, einfache Pumpen, Plattenspielerantriebe und Stellantriebe für Klappen.

Der Grund für diese Verbreitung sind seine Stärken. Er ist robust und praktisch wartungsfrei, weil er außer den Lagern kein Verschleißteil hat: keine Bürsten, keinen Kommutator, keinen Anlaufschalter. Er ist billig, weil der Aufbau aus Blechpaket, einer Wicklung und ein paar Kupferringen besteht. Und er ist betriebssicher, weil es keinen Kondensator gibt, der altern oder ausfallen kann.

Die Schwächen sind die Kehrseite des einfachen Prinzips. Das Anlaufmoment ist gering, er kann also keine schwer anlaufenden Lasten antreiben. Der Wirkungsgrad ist niedrig, was bei Kleinstleistungen verschmerzbar ist, größere Bauformen aber unwirtschaftlich macht. Und die Drehrichtung ist fest, was ihn für Anwendungen mit Richtungswechsel ausschließt.