Was ist drin? Ein Blick auf die Konstruktion des Eichhörnchenkäfig-Rotors!

Haben Sie sich jemals gefragt, was einen Elektromotor zum Drehen bringt? Ein großer Teil mehrerer gängiger Elektromotoren ist ein sogenannter Käfigläufer. Das sieht komisch aus, oder? Aber es ist ein sehr wichtiges Element. In diesem kurzen Artikel werde ich Ihnen alles über den Aufbau und die Konstruktion des Käfigläufers erzählen. Wir werden uns ansehen, woraus er besteht und wie er genau zusammengesetzt ist. Wenn wir das verstehen, können wir erkennen, wie effektiv die Arbeit von Induktionsmotoren ist. Glauben Sie mir, es ist einfacher, als Sie denken, und deshalb sind diese Motoren fast überall zu finden! Dieser kurze Artikel ist es wert, gelesen zu werden, weil Sie die Geheimnisse eines Werkzeugs kennenlernen, das so viel in unserer Welt antreibt.

Was genau ist ein Rotor in einem Induktionsmotor?

Vereinfacht ausgedrückt ist der Rotor die sich drehende Komponente eines Induktionsmotors. Stellen Sie sich einen rotierenden Kreisel vor; der Rotor ähnelt diesem, befindet sich jedoch im Inneren des Motors. Der Rotor ist ein Schlüsselelement, das hilft, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Mit dieser Bewegung kann dann Arbeit verrichtet werden, z. B. das Drehen eines Anhängers oder der Betrieb eines Geräts. Die Asynchronmotor braucht diesen sich drehenden Rotor, um seine Aufgabe zu erfüllen. Der Rotor befindet sich im Inneren des Stators. Der Stator ist der stationäre Teil des Induktionsmotors. Der Rotor hat im Allgemeinen eine zylindrische Form. Er ist auf der Motorwelle montiert. Wenn sich der Rotor dreht, dreht sich auch die Welle. Diese Welle ist dann mit dem Gegenstand verbunden, den der Motor transportieren soll. Der Rotor ist also das eigentliche Herzstück eines Induktionsmotors. Das Erkennen des Rotors ist der erste Schritt zum Verständnis des gesamten Induktionsmotors. Mehrere Arten von Induktionsmotoren verwenden eine bestimmte Art von Rotor.

Warum nennt man ihn einen "Eichhörnchenkäfig"-Rotor?

Warum der Name "Eichhörnchenkäfig-Rotor"? Nun, wenn man das Kernstück des Rotors herausnehmen und nur seine elektrisch leitenden Komponenten betrachten würde, sähe er sicherlich ein wenig wie ein Käfig aus. Sie verstehen, die Art von Käfig, in dem ein Eichhörnchen oder ein Hamster laufen könnte. Dieser "Käfig" besteht aus leitenden Stäben, die über die gesamte Länge des Rotors verlaufen. Diese Stäbe sind dann an beiden Enden mit einem Ring verbunden, dem sogenannten Endring. Man hat also diese identischen Stäbe und 2 Ringe, die sie zusammenhalten. Diese Struktur ist es, die dem Käfigläufer seinen Namen gibt. Es handelt sich um ein einfaches, aber äußerst brillantes Design. Diese Käfigrotorkonstruktion ist wirklich typisch für einen Käfigläufermotor. Es handelt sich um eine robuste Konstruktion, was bedeutet, dass sie stark ist und lange Zeit hält. Der grundlegende Name hilft den Leuten, sich vorzustellen, wie diese Komponente des Induktionsmotors aussieht. Der Rotor dreht sich, und dieser Käfigrahmen ist entscheidend dafür, wie er mit dem Magnetfeld des Stators zusammenarbeitet.

Wie genau wird der Kern des Rotors eines Käfigläufermotors hergestellt?

Der Kern einer Käfigläuferinduktion Motorrotor ist nicht nur ein massives Stück Metall. Diese Scheiben werden Lamellen genannt. Stellen Sie sich ein Kartenspiel vor; der Rotorkern ist wie ein solches, allerdings mit Stahlblechen. Diese Stahllamellen werden aufeinander gestapelt, um die zylindrische Form des Rotorkerns zu bilden. Es gibt einen guten Grund für diese Art der Lamellierung. Die Verwendung von Blechen hilft, die Energieverluste im Induktionsmotor zu verringern. Diese Verluste sind in der Regel das Ergebnis von Wirbelströmen. Ein Wirbelstrom ist ein unerwünschter Strom, der in einem Metall fließen kann. Durch die Verwendung dünner, isolierter Bleche werden diese Wirbelströme gering gehalten. Dadurch wird der Käfigläufermotor effizienter. In den Rotorkern sind außerdem Öffnungen geschnitten. In diese Schlitze im Rotor werden die Rotorstäbe eingesetzt. Das gesamte Rotorgebäude ist gründlich durchdacht.

Was sind Rotorstäbe und Endringe in einem Käfigläufer?

Lassen Sie uns jetzt über die "Käfig"-Komponente des Käfigläufers sprechen. Die Rotorstäbe sind sehr wichtige leitende Stäbe. Sie werden in die Schlitze des Rotorkerns eingesetzt, über die wir gerade gesprochen haben. Diese Rotorstäbe werden oft aus Aluminium oder manchmal aus Kupfer hergestellt. Aluminium ist üblich, weil es leicht ist und die elektrische Energie gut leitet. Bei größeren Motoren können auch Kupferstangen verwendet werden, da Kupfer ein noch besserer Leiter ist. An jedem Ende des Rotorkerns sind diese Rotorstäbe miteinander verbunden. Sie sind durch so genannte Endringe oder Kurzschlussringe verbunden. Stellen Sie sich die Stäbe als die geraden Teile des Käfigs vor und die Endringe als die runden Teile, die sie zusammenhalten. Diese Endringe schaffen einen geschlossenen elektrischen Pfad für den Strom, der durch die Rotorstäbe fließt. Damit ist das "Käfig"-Gerüst fertiggestellt. Die Rotorstäbe und die Endringe bilden zusammen die Rotorwicklung, auch wenn sie ganz anders aussieht als die gewickelte Wicklung, die man in einem Stator sieht. Dies ist eine Schlüsselkomponente der genauen Funktionsweise des Käfigläufermotors.

Wie genau erhalten die Rotorstäbe in einem Induktionsmotor ihren Strom?

Hier kommt der Teil "Induktion" eines Induktionsmotors ins Spiel. Die Läuferstäbe eines Käfigläufers sind nicht wie die Statorwicklung direkt mit einer Stromquelle im Freien verbunden. Stattdessen wird der Strom im Rotor "erzeugt". Das bedeutet, dass er durch ein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt wird. Der Stator des Induktionsmotors hat eine eigene Wicklung. Wenn die Statorwicklung mit Wechselstrom versorgt wird, entwickelt sie ein rotierendes Magnetfeld. Dieses rotierende Magnetfeld des Stators streicht an den Rotorstäben vorbei. Da es sich bei den Läuferstäben um Leiter handelt, wird in diesem sich verändernden Bereich eine Spannung erzeugt. Da die Läuferstäbe durch die Endringe kurzgeschlossen sind, führt diese Spannung zu einem Stromfluss über die Stäbe und die Ringe. Dieser in den Rotorstäben induzierte Strom erzeugt dann sein eigenes Magnetfeld. Die beiden elektromagnetischen Felder (des Stators und des Rotors) interagieren und bringen den Rotor zum Drehen! Der Rotorkreislauf wird durch die Endringe geschlossen. Die Geschwindigkeit des Rotors ist stets etwas geringer als die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes; dieser Unterschied wird Schlupf genannt. Dieser Schlupf ist notwendig, um den Strom zu induzieren.

Sind alle Käfigläufer genau gleich? Was ist mit einem Doppelkäfig?

Aber es gibt verschiedene Arten. Einer der gängigsten ist der Einzelkäfigrotor, über den wir gerade gesprochen haben. Für einige spezielle Aufgaben haben die Ingenieure jedoch einen sogenannten Doppelkäfigrotor entwickelt. Dieser Rotortyp hat 2 Sätze von "Käfigen" oder Rotorwicklungen auf demselben Rotorkern. Warum zwei Käfige? Nun, ein doppelter Käfigläufer kann dem Induktionsmotor ein besseres Startdrehmoment verleihen. Das Anfahrdrehmoment ist der Druck, den der Motor beim ersten Anfahren ausübt. Ein Käfig, in der Regel der äußere, ist aus einem Material mit höherem Widerstand gefertigt. Dies trägt zu einem guten Anlaufmoment bei und begrenzt den Anlaufstrom. Der innere Käfig hat einen geringeren Widerstand, was dem effizienten Betrieb bei gleichmäßiger Drehzahl und geringem Schlupf zugute kommt. Ein doppelter Käfig versucht also, das Beste aus beiden Kugeln herauszuholen. Dies ist eine clevere Methode, um das Verhalten eines Käfigläufermotors für verschiedene Aufgaben zu verändern. Diese Klassifizierung des Rotors ermöglicht noch spezifischere Designs von Asynchronmotoren.

Warum ist der Rotor bei einigen Käfigläufermotoren schief?

Wenn man sich einen Käfigläufer ansieht, kann man oft beobachten, dass die Rotorstäbe (und die Rotorschlitze, in denen sie sich befinden) nicht einwandfrei parallel zur Motorwelle verlaufen. Stattdessen sind sie leicht schräg, oder "schief". Dafür gibt es eine Reihe von hervorragenden Faktoren. Ein Hauptgrund für die Schrägstellung ist, dass der Induktionsmotor noch ruhiger und leiser laufen soll. Wären die Läuferstäbe gerade, könnten sie bei der Drehung des Rotors gleichzeitig die Statorzähne berühren. Dies kann zu ruckartigen Bewegungen und noch mehr Lärm führen. Wenn die Rotorstäbe schräg gestellt werden, gelangen sie allmählich in das elektromagnetische Feld des Stators. Dies trägt zur Verringerung von Geräuschen und Vibrationen bei. Ein weiterer Vorteil der Schrägstellung ist, dass sie verhindert, dass der Motor bei bestimmten Drehzahlen "stecken bleibt" (ein Phänomen, das oft als "Cogging" bezeichnet wird), insbesondere beim Anlassen des Motors. Es hilft auch, ein viel gleichmäßigeres Drehmoment zu erzeugen. Diese leichte Schräglage in der Rotorkonstruktion macht also einen großen Unterschied in der Leistung des Induktionsmotors aus.

Wie unterscheidet sich ein Käfigläufer von einem gewickelten Rotor oder einem Synchronmotorläufer?

Der Käfigläufer ist sehr üblich, aber er ist nicht der einzige Rotortyp, den es für einen Induktionsmotor gibt. Es gibt auch einen so genannten "gewickelten Rotor". Ein gewickelter Rotor unterscheidet sich dadurch, dass er anstelle von massiven Rotorstäben tatsächliche gewickelte Wicklungen hat, genau wie die Statorwicklung. Diese Wicklungen sind dann mit Schleifringen auf der Welle verbunden. Auf diesen Schleifringen sitzen Bürsten, die es ermöglichen, externe Widerstände mit dem Rotorkreis zu verbinden. Dies ermöglicht eine noch bessere Kontrolle über die Drehzahl und das Anlaufmoment des Motors. Ein Induktionsmotor mit gewickeltem Rotor bietet also eine bessere Drehzahlregelung, ist aber viel komplexer und teurer als ein Käfigläufermotor. Dann gibt es noch den Synchronmotor. Der Rotor eines Synchronmotors ist ebenfalls sehr unterschiedlich. Er hat in der Regel definierte Magnetpole, die entweder durch Dauermagnete oder durch Gleichstromversorgung einer Rotorwicklung (auch hier häufig mit Schleifringen) hergestellt werden. Der wichtigste Aspekt eines Synchronmotors ist, dass sich sein Rotor mit genau der gleichen Geschwindigkeit dreht wie das elektromagnetische Drehfeld des Stators - er arbeitet bei typischer Belastung mit einer kontinuierlichen Rate ohne jeglichen Schlupf. Der Rotor eines Käfigläufer-Induktionsmotors hat immer einen gewissen Schlupf. Auch ein Generator kann ähnlich aufgebaut sein wie ein Motorrotor, allerdings besteht seine Funktion darin, elektrische Energie zu erzeugen. Ein Käfigläufer ist einfacher und robuster als diese anderen Rotortypen.

Ist der Rotor der einzige geheime Teil eines Induktionsmotors? (Ein Blick auf den Stator).

Während wir uns sehr auf den fantastischen Käfigläufer konzentriert haben, ist es notwendig zu bedenken, dass ein Induktionsmotor noch einen weiteren integralen Teil hat: den Stator. Der Rotor ist der sich drehende Teil, ja, aber der Stator ist der stationäre Teil, der den Rotor umgibt. Der Rotor ruht im Inneren des Stators. Der Stator ist ebenfalls aus Blechen gefertigt, um die Wirbelstromverluste zu verringern. Er hat eine eigene Sammlung von Wicklungen, die aus isolierten Kabeln, normalerweise aus Kupfer, bestehen. Wenn Sie eine dreiphasige Wechselstromversorgung (oder eine einzelne Stufe für kleinere Motoren) an die Statorwicklung anschließen, erzeugt diese das elektromagnetische Drehfeld. Dieses Feld ist es, das das im Käfigläufer vorhandene Feld "erzeugt" und ihn in Bewegung setzt. Stator und Rotor arbeiten also wie ein Team zusammen. Der Stator erzeugt das magische Feld, und der Rotor reagiert darauf. Beide sind für den Betrieb des Induktionsmotors notwendig. Der Motorrahmen enthält sowohl den Stator als auch die Rotoreinheit (einschließlich der Welle). Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Stators und dem Strom, der in den Rotorleitern erzeugt wird, ist das Herzstück der Funktionsweise eines Induktionsmotors.

Was macht den Käfigläufer-Induktionsmotor so beliebt und zuverlässig?

Die Hauptsache ist ihre einfache und robuste Rotorkonstruktion. Der Käfigläufer hat keine Bürsten (im Gegensatz zu einigen Gleichstrommotoren oder gewickelten Läufern), keine Schleifringe (es sei denn, es handelt sich um einen speziellen gewickelten Läufer, der manchmal kontrastiert, aber echte Käfigläufer haben keine) und keine beweglichen elektrischen Kontakte am Läufer selbst. Das macht ihn sehr zuverlässig und bedeutet, dass er extrem wenig Wartung benötigt. Da die Rotorkonstruktion einfach ist und aus Aluminium- oder robusten Kupferstäben und Endringen besteht, ist sie auch billiger in der Herstellung. Diese Phasen-Kurzschlussläufermotoren (insbesondere 3-Phasen-Kurzschlussläufermotoren) sind effizient, können bei unterschiedlichen Lasten mit nahezu konstanter Drehzahl betrieben werden (obwohl immer ein gewisser Schlupf vorhanden ist) und haben ein gutes Anlaufdrehmoment für zahlreiche Aufgaben, insbesondere wenn sie Konstruktionen wie den Doppel-Kurzschlussläufer verwenden. Sie können in einer ganzen Reihe von Größen hergestellt werden, von kleinen bis zu großen. Diese Mischung aus Erschwinglichkeit, hoher Zuverlässigkeit und gutem Wirkungsgrad macht den Käfigläufermotor zu einem Arbeitspferd in der Industrie rund um den Globus. Die Art des Rotors ist ein wichtiger Teil dieses Erfolgs. Diese Art von Asynchronmotor kann auf viele Arten installiert werden. Die Tatsache, dass die Rotorwicklung nicht isoliert werden muss (da sie nur aus Stäben besteht), vereinfacht die Sache ebenfalls. Viele Elektromotoren können auch für den Start mit reduzierter Spannung entwickelt werden.