Fakten zum Anfassen: Abwechselnd

1. Juli 2022 | Von Scott Jenkins

Wechselstrom-Induktionsmotoren werden in der chemischen Prozessindustrie (CPI) und anderen Fertigungssektoren häufig eingesetzt, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und rotierende Geräte wie Kreiselpumpen, Kompressoren und Lüfter sowie andere Industriemaschinen anzutreiben . Diese einseitige Referenz bietet Informationen zum Aufbau und Betrieb von Drehstrom-Induktionsmotoren (Abbildung 1).

ABBILDUNG 1. In diesem Schnittbild des Inneren eines elektrischen Induktionsmotors ist der Rotor im Inneren des Stators zu sehen, der ihn umgibt

Der Grundaufbau eines typischen industriellen Wechselstrom-Induktionsmotors umfasst die folgenden Elemente: Rotor, Stator, Statorwicklungen und Gehäuse.

Rotor. Der Rotor hat einen Eisenkern, der aus einem zylinderförmigen Stapel laminierter Ringe um eine Motorwelle besteht, an der er befestigt ist. Der Rotor verfügt an beiden Enden über leitende Endkappen und leitende Stäbe, die durch Schlitze im laminierten Metallstapel zwischen den Endkappen verlaufen. Die Baugruppe dreht sich im Stator auf Lagern, die dafür sorgen, dass der Rotor mittig zum Stator positioniert bleibt. Das Aussehen des Rotors und der Leiterstäbe führt zu der Bezeichnung „Käfigläufermotor“.

Stator. Der Stator besteht aus einer Reihe gestapelter Stahlbleche, die ringförmig sind und den Rotor umgeben, während sich der Rotor frei bewegen kann. Die gestapelten Metallscheiben sind mit Isoliermaterial laminiert und haben um ihren Durchmesser herum Aussparungen zur Aufnahme der Kupferwicklungen.

Wicklungen. Wicklungen aus Kupferdraht sind in den Schlitzen im Inneren des Stators verteilt und leiten den elektrischen Versorgungsstrom, der ein Magnetfeld induziert, das den Rotor im Inneren durchdringt.

Gehege. Das Gehäuse, bestehend aus Rahmen und Endglocken, schützt den Motor. Es gibt verschiedene Arten von Gehäusen für unterschiedliche Anwendungen, wie von der National Electrical Manufacturers Association (NEMA; Rosslyn, Virginia; www.nema.org), einem Handelsverband und Normungsgremium, festgelegt. Die vier wichtigsten NEMA-Gehäuse sind die folgenden: offene, tropfsichere (ODP) Gehäuse; vollständig geschlossen, nicht belüftet (TENV); vollständig geschlossen, lüftergekühlt (TEFC); und vollständig geschlossene, gebläsegekühlte (TEBC) Motoren.

Bei korrekter Auslegung der Statorwicklungen und Statornuten erzeugt das Anlegen von Wechselstrom an den Stator ein rotierendes Magnetfeld. Wenn elektrischer Strom angelegt wird, erzeugt der Stator ein rotierendes Magnetfeld, das zum Drehen der Motorwelle erforderlich ist. Typischerweise wird dem Stator dreiphasiger Wechselstrom zugeführt, so dass die drei Phasen um 120 Grad elektrisch voneinander getrennt sind.

Währenddessen sitzt der Rotor im Statorkern und ist aufgrund seiner Konstruktion in der Lage, elektromagnetischen Strom zu leiten. Wenn sich das rotierende Magnetfeld um den Rotor bewegt, induziert es Spannung in den leitenden Stäben des Rotors. Aufgrund der leitfähigen Endkappen an jedem Ende des Rotors kann Strom durch die Rotorstäbe fließen. Der Rotor erzeugt dann ein Magnetfeld, das dem des Stators entgegengesetzt ist. Durch die entgegengesetzten Magnetfelder entsteht eine Situation, in der sich die entgegengesetzten Pole von Rotor und Stator gegenseitig anziehen, während sich die gleichen Pole abstoßen. Während sich das Magnetfeld des Stators dreht, wird es vom Rotor verfolgt, angetrieben durch die anziehenden und abstoßenden magnetischen Kräfte.

Die folgenden Begriffe sind hilfreich, um den realen Betrieb eines Induktionsmotors zu verstehen.

Magnetische Pole. Der Stator kann so gestaltet sein, dass er eine unterschiedliche Anzahl magnetischer Pole um den Statorkörper herum aufweist. Die Anzahl der Pole hat Einfluss auf die Drehzahl und das Drehmoment des Motors. Bei einer geringeren Polzahl ist die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes höher, aber das Drehmoment geringer. Das Hinzufügen von Magnetpolen verringert die Geschwindigkeit des Magnetfelds, erhöht jedoch das Drehmoment, das der Motor erzeugen kann. Bei größeren Polzahlen sind die Herstellungskosten für den Motor höher, daher handelt es sich bei den meisten Motoren um zwei- oder vierpolige Motoren.

Synchrone Geschwindigkeit. Dies ist die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds im Stator. Die Synchrongeschwindigkeit wird durch die Gleichung Na = 120 f/ P berechnet, wobei f die Frequenz des dem Stator zugeführten Wechselstroms und P die Anzahl der Motorpole ist. Beispielsweise würde die Synchrondrehzahl eines vierpoligen Motors, der mit 60-Hz-Wechselstrom betrieben wird, 1.800 U/min betragen.

Nenngeschwindigkeit. Die Nenndrehzahl ist die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors im Motorgehäuse. Die Nenndrehzahl ist immer kleiner als die Synchrondrehzahl, da sich der Rotor immer langsamer dreht als das Magnetfeld des Stators. Tatsächlich muss die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors niedriger sein als die Synchrongeschwindigkeit, sonst gäbe es keine Induktion und der Rotor wäre nicht in der Lage, ein Magnetfeld zu erzeugen.

Unterhose. Der Schlupf ist die Differenz zwischen der Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds des Stators und der mechanischen Geschwindigkeit der rotierenden Rotorbaugruppe. Die Größe des Schlupfes hängt von der Belastung des Motors ab. Bei größerer Belastung des Motors ist der Schlupf größer als bei geringerer Belastung.

Drehmoment. Der Begriff Drehmoment bezieht sich auf die Rotationskraft, die vom rotierenden Motor erzeugt wird. Induktionsmotoren ziehen mit zunehmender Last mehr Strom und erzeugen folglich mehr Drehmoment.

Anmerkung der Redaktion: Einige Materialien für diese Kolumne stammen von Yaskawa America Inc., Induction Motor Basics, Video-E-Learning-Modul, abrufbar unter www.yaskawa.com/support-training/training/elearning-curriculum