Induktionsmotor-Typen verstehen: Leitfaden für ihre Funktionsweise

Das Herzstück vieler riesiger Fabrikanlagen ist ein leistungsstarkes und zuverlässiges Arbeitspferd: die Asynchronmotor. Dies ist ein Wechselstrommotor, der dafür bekannt ist, dass er einfach, robust und billig zu bauen ist. Er funktioniert mit einem cleveren physikalischen Trick, der elektromagnetischen Induktion. Dieser Artikel ist für Sie, wenn Sie sich schon immer gefragt haben, wie diese Motoren funktionieren oder was die verschiedenen Typen von Induktionsmotoren sind. Sie werden die wichtigsten Typen kennen lernen und sehen, wo sie täglich eingesetzt werden.

Was ist ein Induktionsmotor und wie funktioniert er?

Ein Induktionsmotor ist ein Elektromotor, der mit Wechselstrom (AC) betrieben wird. Seine Hauptaufgabe besteht darin, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, was bedeutet, dass er Strom in Bewegung umsetzt. Der geniale Erfinder Nikola Tesla hatte die Idee für diese Art von Motor. Er besteht aus zwei Hauptteilen: einem feststehenden Teil, dem Stator, und einem rotierenden Teil, dem Rotor. Zwischen Stator und Rotor gibt es keine direkte elektrische Verbindung.

Die Magie geschieht durch ein Prinzip namens elektromagnetische Induktion. Wenn Sie einen Wechselstrom durch die Wicklungen des Stators leiten, erzeugt dieser ein Magnetfeld, das sich dreht. Stellen Sie sich das wie einen sich drehenden Magneten vor. Dieses rotierende Feld durchläuft den Rotor und induziert wiederum einen Strom, der im Rotor fließt. Dieser induzierte Strom erzeugt sein eigenes Magnetfeld. Die beiden Magnetfelder schieben und ziehen sich gegenseitig an, wodurch sich der Rotor dreht und mechanische Energie erzeugt wird. Auf diese Weise funktioniert ein Induktionsmotor ohne Bürsten oder physische Kontakte zum Rotor.

Was sind die beiden Haupttypen von Induktionsmotoren?

Wenn wir über die Arten von Induktionsgeräten sprechen, teilen wir sie gewöhnlich in zwei große Gruppen ein. Die Einteilung hängt von der Art der Wechselspannung ab, die sie verwenden. Die beiden Haupttypen sind einphasige Asynchronmotoren und dreiphasige Asynchronmotoren.

Der große Unterschied ist die Stromversorgung. Ein einphasiger Motor läuft mit einer einphasigen Stromversorgung, wie Sie sie in Ihrem Haus haben. Ein dreiphasiger Induktionsmotor benötigt eine dreiphasige Stromversorgung, wie sie in gewerblichen und industriellen Umgebungen üblich ist. Dieser Unterschied in der Stromversorgung hat Auswirkungen auf den Aufbau und die Leistung des Induktionsmotors. Drehstrommotoren sind im Allgemeinen leistungsstärker und effizienter.

Sprechen wir über einphasige Induktionsmotoren

Schauen wir uns nun den ersten Typ an. Einphasige Induktionsmotoren sind überall zu finden. Wenn Sie zu Hause einen Ventilator, einen Kühlschrank, eine Waschmaschine oder eine kleine Pumpe haben, haben Sie wahrscheinlich einen dieser Motoren. Sie sind beliebt, weil sie mit normaler Haushaltsspannung betrieben werden können. Das macht sie perfekt für alltägliche Geräte.

Ein einfacher Einphasen-Induktionsmotor ist nicht selbstanlaufend. Das heißt, wenn Sie ihn einfach an eine einphasige Wechselstromversorgung anschließen, wird der Rotor nur brummen und vibrieren, sich aber nicht drehen. Er verfügt nicht über ein ausreichendes Startdrehmoment, d. h. die erforderliche Drehkraft, um ihn in Bewegung zu setzen. Um dieses Problem zu lösen, haben sich die Ingenieure etwas einfallen lassen, um dem Motor einen "Schubs" zu geben, damit er anspringt. Ein Wechselstrommotor dieses Typs benötigt immer einen speziellen Startstromkreis.

Wie erzeugt ein einphasiger Stator Bewegung?

Warum ist ein Einphasenmotor nicht selbstanlaufend? Das liegt daran, dass das Magnetfeld, das durch den Stator ist kein rotierendes Magnetfeld. Stattdessen pulsiert das Statorfeld nur. Es wird stark, dann schwach, dann wieder stark, aber es dreht sich nicht um den Stator. Dieses pulsierende Feld kann eine Rotor Wenn er sich einmal in Bewegung gesetzt hat, kann er ihn nicht mehr aus dem Stillstand heraus starten.

Um dies zu beheben, braucht der Motor eine Möglichkeit, ein Drehfeld zu erzeugen, zumindest für einen Moment. Dies geschieht durch Hinzufügen einer zweiten Wicklung zum Stator, der so genannten Startwicklung. Die Hauptwicklung liefert die Betriebsleistung. Die Startwicklung wird nur verwendet, um ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, das nicht mit dem ersten Feld übereinstimmt. Durch diese Differenz entsteht ein schwaches Drehfeld, das dem Motor das Anfangsdrehmoment verleiht, das er benötigt, um sich zu drehen.

Was sind die verschiedenen Arten von Einphasenmotoren?

Da sie beim Anfahren Hilfe benötigen, gibt es einige Arten von Einphasenmotoren. Jeder Typ verwendet eine andere Methode, um das Anlaufmoment zu erzeugen. Zu den gebräuchlichsten Induktionsmotoren gehören Spaltphasenmotoren, Motoren mit Kondensatoranlauf und Spaltpolmotoren.

Split-Phase-Motoren sind einfach und billig. Sie verwenden eine Startwicklung mit anderen Eigenschaften als die Hauptwicklung, um die Phasenverschiebung zu erzeugen. Sobald der Motor auf Drehzahl kommt, wird die Startwicklung durch einen Schalter abgeschaltet. Kondensator-Startmotoren sind eine Stufe höher angesiedelt. Sie verwenden einen Kondensator in der Startschaltung. Dieser Kondensator erzeugt eine viel bessere Phasenverschiebung, wodurch der Motor ein sehr hohes Startdrehmoment erhält. Sie eignen sich hervorragend für Maschinen wie einen Kompressor, die viel Kraft zum Anfahren benötigen. Spaltpolmotoren schließlich sind sehr einfach und haben ein geringes Drehmoment. Sie verwenden einen kleinen Kupferring auf dem Stator, um das zweite Feld zu erzeugen. Man findet sie in kleinen Lüftern, wo keine hohe Leistung benötigt wird.

Warum sind dreiphasige Induktionsmotoren so leistungsfähig?

Jetzt kommen wir zum großen Bruder: dem Drehstrom-Asynchronmotor. Das sind die Arbeitspferde der Industrie. Meiner Erfahrung nach ist dies der Asynchronmotor, den Sie verwenden, wenn Sie zuverlässige und effiziente Leistung für große Maschinen benötigen. Sie werden für alles verwendet, von großen Pumpen und Förderanlagen bis hin zur Fabrikautomation.

Das Geheimnis ihrer Leistung liegt in der dreiphasigen Wechselstromversorgung. Diese Art von Wechselstrom besteht aus drei separaten Strömen, die alle perfekt getaktet sind. Wenn Sie diesen Strom in den Stator eines Drehstrommotors einspeisen, geschieht etwas Erstaunliches. Die Wicklungen sind so verteilt, dass sie auf natürliche Weise ein echtes magnetisches Drehfeld erzeugen. Es ist weder ein Kondensator noch eine Startwicklung erforderlich. Dadurch ist der Drehstrom-Asynchronmotor selbstanlaufend, sehr effizient und in der Lage, ein gleichmäßiges und konstantes Drehmoment zu erzeugen. Das Feld des Stators ist stark und dreht sich ab dem Moment, in dem Sie Strom anlegen.

Was sind die zwei Arten von Drehstrommotoren?

Selbst innerhalb der Welt der Drehstrommotoren gibt es zwei Hauptkonstruktionen für den Rotor. Dies sind der Käfigläufer und der Schleifringläufermotor (auch Wicklungsläufermotor genannt). Die überwiegende Mehrheit der Asynchronmotoren wird in der Käfigläuferbauweise eingesetzt, weil sie so einfach und robust ist.

Ein Käfigläufer besteht aus einem Stahlzylinder, der von schweren Kupfer- oder Aluminiumstäben, den sogenannten Rotorstäben, durchzogen ist. Die Stäbe sind an den Enden miteinander verbunden. Er sieht aus wie ein Käfig für einen Hamster oder ein Eichhörnchen, daher auch sein Name. Ein Schleifringläufermotor ist anders. Sein Rotor hat echte Drahtwicklungen, ähnlich wie der Stator. Diese Wicklungen sind über einen Schleifring und Bürsten mit externen Widerständen verbunden. Auf diese Weise lassen sich die Drehzahl und das Drehmoment des Motors steuern, was ihm ein sehr hohes Anlaufdrehmoment für spezielle Aufgaben verleiht. Ein mehrphasiger Asynchronmotor wie dieser ist weniger verbreitet, aber für bestimmte schwere Lasten sehr nützlich. Diese mehrphasige Wechselstromausführung ist komplex.

Wie wählt man zwischen verschiedenen Motoren und ihren Anwendungen?

Die Wahl des richtigen Asynchronmotors hängt von der Aufgabe ab, die er erfüllen soll. Für die meisten häuslichen und leicht gewerblichen Anwendungen ist ein Einphasenmotor die richtige Wahl. Einphasige Induktionsmotoren werden in Geräten verwendet, da sie mit normaler Haushaltsspannung betrieben werden können. Wenn Sie eine Bohrmaschine, einen kleinen Luftkompressor oder eine Wasserpumpe in einem Haus betreiben müssen, werden diese Motoren verwendet.

Für schwere Arbeiten in Fabriken wird fast immer ein Drehstrom-Asynchronmotor verwendet. Drehstrom-Asynchronmotoren werden verwendet, weil sie effizienter sind, einen höheren Leistungsfaktor haben und viel mehr Leistung liefern können. Die Wahl zwischen einem Käfigläufer- und einem Schleifringläufermotor hängt von dem benötigten Drehmoment ab. Für die meisten Anwendungen, bei denen ein normales Startdrehmoment erforderlich ist, ist der Käfigläufer perfekt geeignet. Für einen großen Kran, der mit einer sehr schweren Last anlaufen muss, ist der Schleifringläufer-Asynchronmotor die bessere Wahl. Der elektrische Anschluss eines Drehstrommotors ist ebenfalls komplexer. Dieser Wechselstrom-Asynchronmotor ist ein echtes Industriewerkzeug.

Welche Rolle spielen die Pole in einem Induktionsmotor?

Die Pole eines Induktionsmotors beziehen sich auf die Magnetpole, die durch die Wicklungen im Stator gebildet werden. Sie sind immer paarweise angeordnet (2-polig, 4-polig, 6-polig, usw.). Die Anzahl der Pole steht in direktem Zusammenhang mit der Drehzahl des Motors. Die Geschwindigkeit des Magnetfelds des Stators wird als Synchrondrehzahl bezeichnet.

Es gibt eine einfache Regel: Je mehr Pole ein Asynchronmotor hat, desto langsamer ist seine Synchrondrehzahl. Ein 2-poliger Motor, der mit 60 Hz betrieben wird, hat eine Synchrondrehzahl von 3600 Umdrehungen pro Minute (U/min). Ein 4-poliger Motor mit der gleichen Leistung läuft mit 1800 U/min. Die tatsächliche Drehzahl des Rotors ist immer etwas geringer als die Synchrondrehzahl. Diese Differenz wird als "Schlupf" bezeichnet und ermöglicht es dem Motor, Strom im Rotor zu induzieren und ein Drehmoment zu erzeugen. Das vom Stator erzeugte Feld legt die Höchstdrehzahl fest.

Hat ein Induktionsmotor einen guten Leistungsfaktor?

Abschließend wollen wir noch auf den Leistungsfaktor eingehen. Einfach ausgedrückt ist der Leistungsfaktor ein Maß dafür, wie effizient ein Elektromotor den von ihm aufgenommenen Strom nutzt. Ein perfekter Leistungsfaktor ist 1,0. Induktionsmotoren können einen schlechten Leistungsfaktor haben, insbesondere wenn sie nicht mit voller Last laufen. Das bedeutet, dass sie mehr Strom verbrauchen, als sie tatsächlich für ihre Arbeit nutzen.

Für einen Hausbesitzer ist das keine große Sache. Aber bei gewerblichen und industriellen Anwendungen mit Hunderten von Motoren kann ein niedriger Leistungsfaktor eine Menge Energie verschwenden und die Stromrechnungen in die Höhe treiben. Drehstrom-Asynchronmotoren haben im Allgemeinen einen besseren Leistungsfaktor als Einphasenmotoren. Moderne Technologien wie frequenzvariable Antriebe, die mit Leistungselektronik arbeiten, helfen bei der Steuerung der Motordrehzahl und verbessern den Leistungsfaktor erheblich, wodurch dieser leistungsstarke Induktionsmotor noch effizienter wird. Das Lastmoment des Motors hat einen großen Einfluss auf seinen Leistungsfaktor.