Drehstrommotoren, Asynchronmotoren

Die Gruppe der Drehfeldmaschinen umfasst elektrische Maschinen, deren Wirkungsweise auf einem im Luftspalt zwischen Ständer und Läufer umlaufenden magnetischen Feld beruht. Die wichtigste und am häufigsten genutzte Arbeitsmaschine dieser Gruppe ist der asynchrone Drehstrom-Induktionsmotor in der Ausführung als Kurzschlussläufer. Dieser zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

• einen einfachen und robusten Aufbau
• eine große Betriebssicherheit
• einen wartungsarmen Betrieb
• einen niedrigen Preis

In der elektrischen Antriebstechnik verwendet man in der Regel die folgenden Elektromotoren:

• asynchrone Drehstrommotoren (Kurzschlussläufer, Schleifringläufer, Drehfeldmagnet)
• asynchrone Einphasen-Wechselstrommotoren
• asynchrone oder synchrone Servomotoren
• Gleichstrommotoren

Da sich die Drehzahl mithilfe von Drehstrommotoren mit Frequenzumrichter besser, einfacher und wartungsärmer steuern lässt, verlieren Gleichstrommotoren und Drehstrommotoren mit Schleifringen immer mehr an Bedeutung. Andere Bauarten des Drehstrom-Asynchronmotors haben in der Antriebstechnik nur einen geringen Stellenwert. Deshalb wird hier auf eine nähere Beschreibung verzichtet.

Kombiniert man einen Elektromotor wie beispielsweise einen Drehstrommotor mit einem Getriebe, erhält man einen sogenannten Getriebemotor. Unabhängig vom elektrischen Prinzip des jeweiligen Motors kommt der Art und Weise von dessen Anbau an ein Getriebe eine besondere Bedeutung für die mechanische Konstruktion des Motors zu. SEW-EURODRIVE verwendet hierfür speziell angepasste Motoren.

Läufer oder Rotor

An den Nuten des Rotorblechpakets befindet sich eine eingespritzte oder eingelegte Wicklung (z. B. aus Aluminium und/oder Kupfer). Diese ist an beiden Enden durch Ringe aus gleichem Material kurzgeschlossen. Die Stäbe mit den Kurzschlussringen erinnern an einen Käfig. Daher rührt auch der zweite gebräuchliche Name für Drehstrommotoren: „Käfigläufermotor“.

Ständer oder Stator

Die mit Kunstharz vergossene Wicklung ist in die halb geschlossenen Nuten des Ständerblechpakets eingelegt. Spulenanzahl und Spulenweite werden variiert, um unterschiedliche Polzahlen (= Drehzahlen) zu erzielen. Zusammen mit dem Motorgehäuse bildet das Blechpaket den sogenannten Stator.

Lagerschilde

Lagerschilde aus Stahl, Grauguss oder Aluminiumdruckguss schließen den Motorinnenraum A- und B-seitig ab. Die konstruktive Ausführung im Übergang zum Stator bestimmt die Schutzart des Motors.

Läuferwelle

Das rotorseitige Blechpaket wird auf eine Stahlwelle aufgebracht. Die beiden Wellenenden reichen jeweils A- und B-seitig durch die Lagerschilde hindurch. A-seitig ist das Ende der Abtriebswelle angebaut (beim Getriebemotor ausgebildet als Ritzelzapfen); B-seitig sind der Lüfter mit seinen Flügeln zur Eigenbelüftung und/oder ergänzende Systeme wie mechanische Bremsen und Geber etc. angebaut.

Motorgehäuse

Motorgehäuse können bei kleiner bis mittlerer Leistung aus Aluminiumdruckguss gefertigt werden. Gehäuse aller Leistungsklassen werden darüber hinaus aber auch aus Grauguss gefertigt. An das Gehäuse ist ein Klemmkasten angebaut, in dem die Wicklungsenden des Stators auf einen Klemmenstein für den kundenseitigen elektrischen Anschluss angeschlossen sind. Kühlrippen vergrößern die Oberfläche des Gehäuses und erhöhen zudem die Abgabe der Verlustwärme an die Umgebung.

Lüfter, Lüfterhaube

Ein Lüfter auf dem B-seitigen Wellenende wird von einer Haube bedeckt. Diese lenkt den Luftstrom, der bei der Drehbewegung entsteht, unabhängig von der Drehrichtung des Rotors über die Rippen des Gehäuses. Ein optionales Schutzdach verhindert, dass (Klein-)Teile bei senkrechten Bauformen durch das Lüfterhaubengitter fallen.

Lager

Die Lager in den A- und B-seitigen Lagerschilden verbinden die drehenden Teile mechanisch mit den stehenden. Meist werden Rillenkugellager eingesetzt, seltener Zylinderrollenlager. Die Lagergröße hängt von den Kräften und Drehzahlen ab, die das jeweilige Lager aufnehmen muss. Verschiedenartige Dichtsysteme sorgen dafür, dass die benötigten Schmiereigenschaften im Lager bleiben, und dass Öle und/oder Fette nicht austreten.

Das symmetrische, dreisträngige Wicklungssystem des Ständers ist an ein Dreiphasen-Drehstromnetz entsprechender Spannung und Frequenz angeschlossen. In jedem der drei Wicklungsstränge fließen sinusförmige Ströme gleicher Amplitude, die jeweils um 120° zeitlich gegeneinander versetzt sind. Durch die ebenfalls räumlich um 120° versetzten Stränge baut der Ständer ein Magnetfeld auf, das mit der Frequenz der angelegten Spannung umläuft.

Dieses umlaufende Magnetfeld – kurz Drehfeld genannt – induziert in der Läuferwicklung bzw. in den Läuferstäben eine elektrische Spannung. Da die Wicklung über den Ring kurzgeschlossen ist, fließen Kurzschlussströme. Gemeinsam mit dem Drehfeld bauen diese Kräfte auf und bilden über den Radius des Läufers ein Drehmoment, das den Läufer in Richtung des Drehfeldes auf Drehzahl beschleunigt. Mit zunehmender Läuferdrehzahl sinkt die Frequenz der erzeugten Spannung im Läufer, da der Unterschied zwischen der Drehfelddrehzahl und der Läuferdrehzahl kleiner wird.

Die dadurch nun niedrigeren induzierten Spannungen bewirken niedrigere Ströme im Läuferkäfig und damit geringere Kräfte und kleinere Drehmomente. Würde der Läufer die gleiche Drehzahl wie das Drehfeld erreichen, würde er synchron umlaufen und es würde keine Spannung induziert – der Motor könnte folglich kein Drehmoment entwickeln. Das Lastmoment und Reibungsmomente in den Lagern bewirken jedoch einen Unterschied zwischen Läufer- und Drehfelddrehzahl und dadurch ein resultierendes Gleichgewicht zwischen Beschleunigungs- und Lastmoment. Der Motor läuft asynchron.

Je nach Belastung des Motors ist dieser Unterschied größer oder kleiner, aber nie null, da auch im Leerlauf immer Reibung im Spiel ist. Überschreitet das Lastmoment das maximal vom Motor produzierbare Beschleunigungsmoment, „kippt“ der Motor in einen unzulässigen Betriebszustand, der sich ggf. thermisch zerstörerisch auswirkt.

Diese für die Funktion notwendige Relativbewegung zwischen Drehfelddrehzahl und mechanischer Drehzahl ist definiert als Schlupf s und wird als Prozentwert der Drehfelddrehzahl angegeben. Bei Motoren kleiner Leistung kann der Schlupf 10 bis 15 Prozent betragen, Drehstrommotoren größerer Leistung haben ca. 2 bis 5 Prozent Schlupf.

Der Drehstrom-Kurzschlussläufermotor nimmt elektrische Leistung aus dem Spannungsnetz auf und wandelt diese in mechanische Leistung – das heißt in Drehzahl und Drehmoment – um. Würde der Motor verlustfrei arbeiten, entspräche die abgegebene mechanische Leistung P_ab der aufgenommenen elektrischen Leistung P_auf.

Wie bei jeder Energiewandlung unvermeidlich, treten aber auch im Drehstrom-Kurzschlussläufermotor Verluste auf: Kupferverluste P_Cu und Stabverluste P_Z entstehen durch die Erwärmung, die ein stromdurchflossener Leiter erfährt. Eisenverluste P_Fe entstehen durch die Erwärmung beim Ummagnetisieren des Blechpakets mit Netzfrequenz. Reibungsverluste P^_Rb entstehen durch die Reibung in Lagern; und Lüftungsverluste durch Verwendung der Luft zum Kühlen. Das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung ist definiert als der Wirkungsgrad der Maschine.

Aufgrund gesetzlicher Vorgaben wird in den letzten Jahren verstärkt auf einen Einsatz von Motoren mit höheren Wirkungsgraden geachtet. Entsprechende normative Vereinbarungen definieren hierzu Wirkungsgradklassen, die von den Herstellern in die technischen Daten aufgenommen wurden. Um die wesentlichen maschinenabhängigen Verluste zu reduzieren, bedeutet dies für die Konstruktion des Elektromotors:

• einen erhöhten Einsatz von Kupfer in der Motorwicklung (P_Cu)
• besseres Blechmaterial (P_Fe)
• eine optimierte Lüfter-Geometrie (P_Rb)
• eine energetisch optimale Lagerung

Zeichnet man die Drehmomente und den Strom über der Drehzahl auf, erhält man die charakteristische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Drehstrom-Kurzschlussläufermotors. Bis zum Erreichen des stabilen Arbeitspunkts durchläuft der Motor nach jedem Einschalten diese Kennlinie. Polzahl, konstruktiver Aufbau und das Material der Läuferwicklung beeinflussen den Verlauf der Kennlinien. Eine Kenntnis dieser Kennlinien ist besonders wichtig bei Antrieben, die mit Gegenmomenten betrieben werden (z. B. Hubwerke).

Liegt das Gegenmoment der Arbeitsmaschine höher als das Sattelmoment, wird die Läuferdrehzahl „im Sattel hängenbleiben“. Der Motor erreicht seinen Nennbetriebspunkt nicht mehr, also den stabilen, thermisch sicheren Arbeitspunkt. Liegt das Gegenmoment sogar höher als das Anlaufmoment, bleibt der Motor stehen. Wird ein laufender Antrieb überlastet (z. B. ein Förderband überladen), sinkt die Drehzahl mit zunehmender Belastung. Überschreitet das Gegenmoment das Kippmoment, „kippt“ der Motor und die Drehzahl sinkt auf Satteldrehzahl oder sogar auf null. Alle Szenarien führen zu sehr großen Strömen im Läufer und Ständer, sodass beide sehr schnell erhitzen. Sind keine geeigneten Schutzeinrichtungen vorhanden, kann dies zur thermischen Zerstörung des Motors führen – er „brennt durch“.

Die in einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter entstehende Wärme ist abhängig vom Widerstand des Leiters und von der Stärke des durch ihn fließenden Stroms. Häufiges Einschalten und Anlauf mit Gegenmoment belasten den Drehstrom-Kurzschlussläufermotor thermisch sehr stark. Die zulässige Erwärmung des Motors ist abhängig von der Temperatur des ihn umgebenden Kühlmediums (z. B. Luft) und der Wärmebeständigkeit des Isolationsmaterials der Wicklung.

Die maximal zulässigen Übertemperaturen der Motoren sind durch eine Einteilung in Wärmeklassen (früher auch „Isolationsklassen“ genannt) geregelt (IEC 60034). Der Motor muss in der Wärmeklasse, in der er gebaut wurde, mit seiner nennleistungsbedingten Dauerübertemperatur betrieben werden können, ohne dabei Schaden zu nehmen. Bei einer Kühlmitteltemperatur von maximal 40 °C gilt als zulässige Grenzübertemperatur zum Beispiel in der Wärmeklasse 180(H)³= 125 °C.

• Die einfachste Betriebsart ist die Belastung mit einem gleichbleibenden Lastmoment. Durch die dauerhafte Belastung im Nennpunkt erreicht der Motor den thermischen Beharrungszustand nach einer gewissen Zeit. Diesen Betrieb nennt man Dauerbetrieb S1.
• Im Kurzzeitbetrieb S2 ist der Motor während einer bestimmten Zeitspanne (tB) mit gleichbleibender Belastung in Betrieb. In dieser Zeitspanne erreicht der Motor noch nicht den thermischen Beharrungszustand. Anschließend folgt eine Stillstandzeit, die so lang bemessen sein muss, dass der Motor wieder die Temperatur des Kühlmittels erreicht.
• Im Aussetzbetrieb S3 ist der Motor während einer bestimmten Zeit (tB) mit gleichbleibender Belastung in Betrieb. Dabei darf sich der Anlauf nicht auf die Erwärmung des Motors auswirken. Danach folgt eine bestimmte Stillstandzeit (tSt). Bei dieser Betriebsart wird die relative Einschaltdauer (ED) angegeben, die nach IEC 60034-1 exemplarisch das Verhältnis von der Betriebszeit zu einer Spielzeit (= Betriebszeit + Stillstandzeit) von 10 Minuten angibt.

Beispiel: Die Betriebsart S3/40% liegt vor, wenn der Motor im Wechsel 4 Minuten ein- und 6 Minuten ausgeschaltet ist.

Die zulässige Schalthäufigkeit gibt an, wie oft ein Motor ohne thermische Überlastung in einer Stunde eingeschaltet werden kann. Sie ist abhängig von:

• den zu beschleunigenden Massenträgheitsmomenten
• der Dauer des Hochlaufs
• der Umgebungstemperatur
• der Einschaltdauer

Die zulässige Schalthäufigkeit eines Motors kann durch folgende Maßnahmen erhöht werden:

• durch Erhöhung der Wärmeklasse
• durch Wahl des nächstgrößeren Motors
• durch Anbau eines Fremdlüfters
• durch eine Veränderung der Getriebeuntersetzung und damit der Massenträgheitsverhältnisse

Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren können durch Polumschaltung mit verschiedenen Drehzahlen betrieben werden. Durch das Einlegen mehrerer Wicklungen in die Nuten des Ständers oder durch Umkehr der Stromflussrichtung in einzelnen Wicklungsteilen ergeben sich verschiedene Polzahlen. Bei getrennten Wicklungen beträgt die Leistung je Polzahl weniger als die Hälfte der Leistung des eintourigen Motors gleicher Baugröße.

Polumschaltbare Drehstrom-Getriebemotoren werden als Fahrantriebe eingesetzt. Die Fahrgeschwindigkeit ist bei Betrieb mit niederen Polzahlen hoch. Zum Positionieren wird auf die hochpolige Wicklung mit kleiner Drehzahl umgeschaltet. Beim Umschalten behält der Motor aufgrund der Massenträgheit zunächst seine hohe Drehzahl. Der Drehstrommotor arbeitet in dieser Phase als Generator und bremst ab. Die Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt und ins Netz zurückgespeist. Nachteilig ist der große Momentenstoß beim Umschalten, der aber durch geeignete Schaltungsmaßnahmen reduziert werden kann.

Die aktuelle Entwicklung von preiswerter Umrichtertechnik begünstigt den Ersatz von polumschaltbaren durch eintourige, frequenzgeregelte Motoren für viele Anwendungen.

Ein Einphasenmotor ist eine gute Wahl, wenn Anwendungen kein hohes Anlauf- bzw. Startmoment benötigen, an ein einphasiges Wechselstromnetz angeschlossen sind und eine eher kleine Leistung (<= 2,2 kW) eingesetzt wird. Ventilatoren, Pumpen und Verdichter zählen zu den typischen Einsatzbeispielen. Zwei grundsätzliche konstruktive Unterschiede sind hier anzutreffen:

Zum einen wird der klassische asynchrone Drehstrommotor nur an Phase und Nullleiter angeschlossen. Die dritte Phase wird über die Phasenverschiebung mithilfe eines Kondensators nachgestellt. Da der Kondensator keine 120°, sondern nur 90° Phasenversatz erzeugen kann, wird diese Art Einphasenmotor in der Regel nur mit zwei Dritteln der Leistung eines vergleichbaren Drehstrommotors bemessen.

Die zweite Art, einen Einphasenmotor zu bauen, besteht in der wicklungstechnischen Anpassung. Anstelle der dreiphasigen Wicklung werden nur zwei Phasen realisiert, und diese zudem unterschiedlich als Haupt- und Hilfsphase. Die räumlich nun 90° versetzten Spulen werden mittels Kondensator auch zeitlich um 90° versetzt bestromt, wodurch das Drehfeld entsteht. Die ungleichen Stromverhältnisse der Haupt- und Hilfswicklung lassen in der Regel auch nur zwei Drittel der Leistung eines baugrößengleichen Drehstrommotors zu. Typische Motoren für den einphasigen Betrieb sind Kondensatormotor, Spalt- sowie Anwurfmotor, der ohne Kondensator auskommt.

SEW-EURODRIVE hat beide Konstruktionsarten von Einphasenmotoren im Sortiment – die DRK..Motoren. Beide werden mit integriertem Betriebskondensator geliefert. Da dieser direkt im Klemmkasten untergebracht ist, werden Störkonturen vermieden. Mit einem Betriebskondensator stehen für den Anlauf ca. 45 bis 50 Prozent des Nennmomentes zur Verfügung.

Drehfeldmagnete sind Sonderausführungen von Drehstrommotoren mit Käfigläufer. In der Auslegung werden sie so bemessen, dass sie selbst bei der Drehzahl 0 nur eine so hohe Stromaufnahme haben, dass sie sich selbst nicht thermisch zerstören. Dies ist zum Beispiel beim Türenöffnen, Weichenstellen oder bei Pressenwerkzeugen sinnvoll, wenn eine Position erreicht und motorisch-elektrisch sicher gehalten werden muss.

Eine weitere gebräuchliche Betriebsart ist der sogenannten Gegenstrombremsbetrieb: Eine äußere Last ist in der Lage, den Rotor entgegen der Drehfeld-Drehrichtung durchzudrehen. Das Drehfeld „bremst“ die Drehzahl und entzieht dem System generatorische Energie, die ins Netz zurückgespeist wird – quasi ein rotatives Bremsen ohne mechanische Bremsarbeit.

SEW-EURODRIVE bietet mit den DRM.. 12-polige Drehfeldmagnete an, welche für den Einsatz mit Bemessungs-Drehmoment im Stillstand thermisch dauerhaft ausgelegt sind. Die Drehfeldmagnete von SEW-EUODRIVE passen für unterschiedliche Anforderungen und Geschwindigkeiten und werden je nach Betriebsart mit bis zu drei Bemessungsdrehmomenten angeboten.

Kommen Elektromotoren in explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz (gem. EU-Richtlinie 2014/34/EU; ATEX), sind an den Antrieben bestimmte Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Hierzu bietet SEW-EURODRIVE je nach Einsatzbereich und -region unterschiedliche Ausführungen an.

Für Anwendungen, die direkt am Netz betrieben werden und zusätzlich eine synchrone Drehzahl haben müssen, bietet SEW-EURODRIVE die sogenannten LSPM-Motoren an. LSPM steht für Line Start Permanent Magnet. Beim LSPM-Motor handelt es sich um einen Drehstrom-Asynchronmotor mit zusätzlichen Permanentmagneten. Er läuft asynchron an, synchronisiert sich anschließend auf die Speisefrequenz und läuft ab dann im Synchronbetrieb. Eine Motorentechnologie, die neue, flexible Einsatzmöglichkeiten in der Antriebstechnik eröffnet.

Diese kompakten Hybrid-Motoren weisen im Betrieb keinerlei Rotorverluste auf und beeindrucken durch einen hohen Wirkungsgrad. Die Baugröße eines DR..J-Motors mit LSPM-Technologie ist gegenüber einem leistungsgleichen Serienmotor und bei gleicher Wirkungsgradklasse um zwei Stufen kleiner.