Funktionsprinzip von Induktionsmotoren erklärt: Wie asynchrone Wechselstrommotoren funktionieren

Schalten Sie einen Desktop-Lüfter ein und die Flügel drehen sich gleichmäßig, ohne sichtbare Bürsten oder Kommutatoren. Im Inneren befindet sich ein kleiner Wechselstrommotor, höchstwahrscheinlich ein Induktionsmotor. Anstatt Strom direkt in den Rotor einzuspeisen, erzeugt der Motor Rotorstrom durch magnetische Induktion vom Stator. Das ist der Kern des Funktionsprinzips eines Induktionsmotors: Ein rotierendes Magnetfeld induziert Strom im Rotor, und die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Feldern erzeugt ein Drehmoment.

Was ist ein Induktionsmotor?

Ein Induktionsmotor ist ein Wechselstrom-Elektromotor, bei dem das Drehmoment durch einen elektromagnetisch induzierten Rotorstrom erzeugt wird. Der Stator ist an die Wechselstromversorgung angeschlossen und baut ein rotierendes Magnetfeld auf. Der Rotor, normalerweise ein Käfigläufer, verfügt über geschlossene Stromkreise, in denen das sich ändernde Feld eine Spannung induziert. Da der Strom im Rotor ohne direkten elektrischen Kontakt fließt, benötigt der Motor keine Bürsten, keine Schleifringe und keine Permanentmagnete.

Da der induzierte Strom von der Relativbewegung zwischen Rotor und Statorfeld abhängt, kann sich der Rotor nicht mit exakt synchroner Drehzahl drehen. Der Geschwindigkeitsunterschied wird als Schlupf bezeichnet. Deshalb wird der Induktionsmotor auch als Asynchronmotor bezeichnet. Einen umfassenderen Überblick über die Motorfamilien finden Sie im Hauptkategorien von Motoren .

Stator und Rotor: Die beiden Grundteile

Jeder Induktionsmotor besteht aus zwei aktiven Komponenten. Der Stator ist ein stationärer Kern aus dünnen laminierten Stahlblechen mit in Nuten angeordneten Kupfer- oder Aluminiumwicklungen. Einphasenmotoren verwenden typischerweise eine Hauptwicklung und eine Hilfswicklung. Dreiphasenmotoren verwenden drei Wicklungen mit einem Abstand von 120 Grad. Wenn Wechselstrom angelegt wird, erzeugen die Wicklungen ein rotierendes Magnetfeld, das den Luftspalt durchquert.

Der Rotor ist das rotierende Teil. Die gebräuchlichste Bauform ist der Käfigläufer, bei dem Aluminium- oder Kupferstäbe in ein Blechpaket eingebettet und durch Endringe kurzgeschlossen werden. Dadurch erhält der Motor ein einfaches, robustes Gehäuse, bei dem im Rotorkreis keine Abnutzungserscheinungen auftreten. Bei Kleingeräten ist die Einfachheit des Käfigläufers einer der Hauptgründe für die lange Lebensdauer von Induktionsmotoren.

Wie das Funktionsprinzip des Induktionsmotors ein Drehmoment erzeugt

Das Faradaysche Gesetz besagt, dass ein sich änderndes Magnetfeld in einem Leiter eine Spannung induziert. Beim Induktionsmotor streicht das Drehfeld des Stators über die Rotorstäbe. Die Leiter sehen einen sich ändernden Fluss, sodass eine Spannung induziert wird. Da die Stäbe durch die Endringe kurzgeschlossen sind, fließt Strom im Rotor.

Nach dem Lenzschen Gesetz erzeugt der induzierte Strom ein Magnetfeld, das der Änderung, die ihn verursacht hat, entgegenwirkt. Dieser Widerstand führt zu einer mechanischen Kraft auf die Rotorstäbe. Die Kraft wird tangential eingeleitet und der Motor beginnt sich zu drehen. Vereinfacht ausgedrückt folgt der Rotor ständig dem Statorfeld.

Warum der Rotor das Feld nie einfängt

Würde der Rotor die Synchrondrehzahl erreichen, würden sich Statorfeld und Rotor gemeinsam bewegen. Es gäbe keine Relativbewegung, keine induzierte Spannung, keinen Rotorstrom und kein Drehmoment. Daher läuft der Rotor immer etwas langsamer als das Drehfeld. Dieser kleine Drehzahlunterschied ermöglicht es dem Induktionsmotor, weiterhin Drehmoment zu erzeugen.

Synchrone Geschwindigkeit und Schlupf

Die Geschwindigkeit des rotierenden Feldes des Stators wird als Synchrongeschwindigkeit bezeichnet. Für eine gegebene Wechselstromfrequenz und Polzahl wird Ns = 120f / P berechnet, wobei f die Netzfrequenz in Hertz und P die Polzahl ist. Bei 50 Hz rotiert ein 2-poliges Feld mit 3000 U/min und ein 4-poliges Feld mit 1500 U/min. Bei 60 Hz betragen die Drehzahlen 3600 U/min bzw. 1800 U/min.

Der Schlupf ist definiert als s = (Ns – Nr) / Ns, wobei Nr die tatsächliche Rotorgeschwindigkeit ist. Im Leerlauf ist der Schlupf sehr gering. Bei Volllast kann ein typischer Kleinmotor einen Schlupf von 3 bis 6 Prozent aufweisen. Wenn der Schlupf Null wäre, hätte der Rotor keinen Grund, sich zu drehen, da kein Strom induziert würde. Deshalb läuft ein Induktionsmotor per Definition immer langsamer als das Drehfeld.

Einphasen- und Dreiphasen-Induktionsmotoren

Dreiphasen-Induktionsmotoren sind selbstanlaufend, da die drei Wicklungssätze auf natürliche Weise ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Sie werden häufig in Industriepumpen, Kompressoren und Förderantrieben eingesetzt. Der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte dieser Motoren sind hoch und die Drehzahlregelung kann mit einem Frequenzumrichter ergänzt werden.

Einphasen-Induktionsmotoren sind anders. Bei nur einer Wicklung pulsiert das Statorfeld entlang einer Achse, anstatt sich zu drehen, sodass der Rotor nicht von selbst anlaufen kann. Die Standardlösung besteht darin, eine Hilfswicklung und einen Kondensator hinzuzufügen, um eine Phasenverschiebung zu erzeugen. Bei einem einphasigen, kondensatorbetriebenen Motor bleibt der Kondensator sowohl beim Starten als auch beim Betrieb im Stromkreis, was das Drehmoment und den Wirkungsgrad verbessert.

Dieses Design ist bei Kühlventilatoren und Luftbewegungsgeräten üblich. Ein typisches Beispiel ist a Desktop-Kaltluft-Wechselstrommotor mit Aluminiumgehäuse das eine kondensatorbetriebene Wicklung verwendet, um eine gleichmäßige Rotation in einer Lüfterbaugruppe zu erzeugen.

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Wo Sie Induktionsmotoren in Alltagsgeräten finden

Typische Anwendungen sind Kühlventilatoren, Luftkühler, Heizventilatoren, Dunstabzugshauben und Luftentfeuchter. Das Funktionsprinzip des Induktionsmotors bietet diesen Produkten eine kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit, einen Lüfter oder ein Gebläse mit Standard-Wechselstrom zu betreiben. Da der Rotor einfach und bürstenlos ist, sind die Hauptverschleißteile Lager und Isolierung, nicht der Stromkreis.

Heizventilatoren

Heizgebläseanwendungen stellen höhere Anforderungen an einen kontinuierlichen Luftstrom. Ein Heizmotor muss einen warmen Luftstrom und eine konstante Wärmelast vom Wärmetauscher bewältigen. Aus diesem Grund verwenden viele Heizprodukte ein Kondensatorbetriebener Heizmotor um die Lüftergeschwindigkeit auch bei langen Betriebszyklen stabil zu halten.

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Dunstabzugshauben

Dunstabzugshauben in der Küche sind Fett, Feuchtigkeit und Reinigungschemikalien ausgesetzt. A Kunststoffgekapselter Öldampf-Wechselstrommotor wird in dieser Umgebung oft bevorzugt, da das versiegelte Kunststoffgehäuse Öl und Feuchtigkeit von den Motorwicklungen fernhält. Es ist ein praktisches Beispiel dafür, wie die grundlegende Konstruktion des Induktionsmotors an eine anspruchsvolle Geräteaufgabe angepasst werden kann.

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Was Sie bei der Auswahl eines kleinen Induktionsmotors beachten sollten

Wenn Sie einen Motor für ein neues Gerät auswählen, beginnen Sie mit der Anwendung und überprüfen Sie dann die elektrischen und mechanischen Details. Das Funktionsprinzip erklärt die Grundlagen, aber das Endprodukt hängt von der Fertigungsqualität und der Komponentenauswahl ab.

• Nennspannung und -frequenz: Bestätigen Sie, ob der Motor für 110 V / 60 Hz, 230 V / 50 Hz oder eine doppelte Nennleistung ausgelegt ist.
• Rotorgeschwindigkeit und Polzahl: Überprüfen Sie die Leerlaufgeschwindigkeit und die Nenngeschwindigkeit unter Last und vergleichen Sie den Schlupf mit Ihrem Anwendungsziel.
• Typ und Größe des Kondensators: Der Kondensator beeinflusst das Startdrehmoment, die Laufeffizienz und den Wärmeanstieg. Verwenden Sie den vom Motorentwickler angegebenen Wert.
• Lager und Isolierung: Wählen Sie Lagerqualität und Isolationsklasse entsprechend der Betriebstemperatur und der erwarteten Lebensdauer.
• Zertifizierungen und Tests: Bestätigen Sie, dass der Motor den in Ihrem Zielmarkt erforderlichen elektrischen Sicherheits- und Leistungsstandards entspricht.

Testen Sie den Motor im kompletten Gerät. Messen Sie den Temperaturanstieg über einige Stunden, achten Sie auf ungewöhnliche Geräusche und stellen Sie sicher, dass die Geschwindigkeit unter Last stabil bleibt. Wenn Sie Optionen von a vergleichen Motorenlieferant Fordern Sie Maße und Maßzeichnungen an, anstatt sich nur auf Katalogdaten zu verlassen.

Das Funktionsprinzip eines Induktionsmotors ist unkompliziert: Ein rotierendes Statorfeld erzeugt einen induzierten Rotorstrom, und der Schlupf hält diesen Strom aufrecht. Das Ergebnis ist ein einfacher, bürstenloser Motor, der jahrelang zuverlässig in Ventilatoren, Gebläsen und Haushaltsgeräten seinen Dienst verrichtet. Wenn Sie diese Grundlagen verstehen, können Sie den richtigen Motor auswählen und bei der Lieferantenbewertung die richtigen Fragen stellen.