Ein Asynchronmotor ist ein Elektromotor, der sich dreht, weil das im Stator erzeugte Drehmagnetfeld im Rotor einen Strom induziert. Zum Rotor besteht keine externe elektrische Verbindung; der Strom wird – ähnlich wie bei einem Transformator – magnetisch übertragen. Da sich der Rotor stets etwas langsamer als das Drehfeld bewegt, wird der Motor als „asynchron“, also nicht synchron, bezeichnet. Dieser Drehzahlunterschied heißt Schlupf, und die Drehmomenterzeugung des Motors hängt vollständig von diesem Unterschied ab.
Die große Mehrheit der in der Industrie eingesetzten Elektromotoren gehört zu diesem Typ. Dank des einfachen Aufbaus, der niedrigen Kosten und des praktisch wartungsfreien Rotors werden Asynchronmotoren in nahezu allen Antrieben mit konstanter Drehzahl eingesetzt – von Pumpen und Förderanlagen bis hin zu Ventilatoren und Kompressoren. Die Motordrehzahl liegt jedoch meist deutlich über der von Maschinen benötigten Drehzahl; deshalb wird der Motor in der Praxis fast immer mit einem Getriebe kombiniert. Im Folgenden erläutern wir Funktionsprinzip, ein- und dreiphasige Ausführungen, Einsatzgebiete und die Verbindung zum Getriebe.
Was ist ein Asynchronmotor?
Wie der Name bereits sagt, ist ein Asynchronmotor ein Wechselstrommotor, dessen Rotor nicht mit derselben Drehzahl wie das rotierende Magnetfeld läuft. In der Fachliteratur wird er auch als Induktionsmotor bezeichnet, weil der Rotorstrom nicht von außen zugeführt, sondern induziert wird.
Der Aufbau besteht aus zwei Hauptkomponenten:
- Stator: Das fest im Gehäuse sitzende Blechpaket, in dem die dreiphasigen Wicklungen untergebracht sind. Dieser Teil wird aus dem Netz gespeist.
- Rotor: Der frei drehende Teil innerhalb des Stators. In der Industrie ist der Käfigläufer am weitesten verbreitet: In einem zylindrischen Körper angeordnete Aluminium- oder Kupferstäbe werden an beiden Enden durch Ringe kurzgeschlossen. Bürsten, Schleifringe oder Wicklungsanschlüsse sind nicht vorhanden.
Diese Einfachheit ist der größte Vorteil des Motors. Da es keine verschleißenden Bürsten, zu reinigenden Kollektoren oder regelmäßig zu ersetzenden Kontaktelemente gibt, beschränkt sich die Wartung eines Asynchronmotors praktisch auf die Kontrolle von Lagern und Isolation. Für einen allgemeinen Vergleich der Motortypen können Sie unsere Seite Motoren besuchen.
Funktionsprinzip des Asynchronmotors
Das Funktionsprinzip lässt sich durch das Zusammenwirken zweier Vorgänge erklären: die Entstehung eines rotierenden Magnetfelds und die Induktion von Strom im Rotor.
Rotierendes Magnetfeld. Die dreiphasige Versorgung liegt an den Statorwicklungen mit jeweils 120 Grad Phasenverschiebung an. Da die Wicklungen nacheinander Magnetfelder erzeugen, entsteht kein statisches, sondern ein rotierendes Magnetfeld. Die Drehzahl dieses Feldes wird Synchrondrehzahl genannt und mit folgender Formel berechnet:
Synchrondrehzahl (U/min) = (120 × Frequenz) ÷ Polzahl
| Polzahl | Synchrondrehzahl (50 Hz) | Typische Drehzahl unter Last |
|---|---|---|
| 2 Pole | 3.000 U/min | 2.850 – 2.950 U/min |
| 4 Pole | 1.500 U/min | 1.420 – 1.470 U/min |
| 6 Pole | 1.000 U/min | 950 – 980 U/min |
| 8 Pole | 750 U/min | 710 – 735 U/min |
Strominduktion und Schlupf. Das rotierende Magnetfeld schneidet die Leiterstäbe des stillstehenden Rotors und induziert dort eine Spannung. Da die Stäbe an beiden Enden kurzgeschlossen sind, wird die induzierte Spannung unmittelbar zu Strom. Ein stromdurchflossener Leiter erfährt im Magnetfeld eine Kraft; dadurch beginnt sich der Rotor zu drehen und folgt dem Feld.
Der entscheidende Punkt ist: Erreicht der Rotor exakt dieselbe Drehzahl wie das Drehfeld, verschwindet die Änderung des Magnetfelds, das die Leiterstäbe schneidet. Ohne Änderung wird kein Strom induziert, und ohne Strom entsteht kein Drehmoment. Sobald der Motor die Synchrondrehzahl erreichen würde, fehlte ihm also die Kraft zum Weiterdrehen. Deshalb läuft der Rotor immer leicht hinterher; dieser Unterschied ist die Grundlage der Drehmomenterzeugung.
Der proportionale Ausdruck dieses Unterschieds ist der Schlupf:
Schlupf (%) = [(Synchrondrehzahl − Ist-Drehzahl) ÷ Synchrondrehzahl] × 100
Läuft beispielsweise ein 4-poliger Motor mit 1.440 U/min, beträgt der Schlupf (1.500 − 1.440) ÷ 1.500 × 100 = 4 %. Im Leerlauf nähert sich der Schlupf nahezu null; steigt die Last, wird der Rotor langsamer, der Schlupf größer und der Motor erzeugt mehr Drehmoment. Durch diesen Mechanismus passt sich der Motor selbstständig an die Last an.
Arten von Asynchronmotoren
Asynchronmotoren werden nach ihrer Versorgungsart in zwei Gruppen eingeteilt. Das Funktionsprinzip ist bei beiden gleich; der Unterschied besteht darin, wie das rotierende Magnetfeld erzeugt wird.
| Vergleich | Einphasen-Asynchronmotor | Dreiphasen-Asynchronmotor |
|---|---|---|
| Versorgung | 220 V, einphasig | 380/400 V, dreiphasig |
| Drehfeld | Entsteht nicht selbstständig; Hilfswicklung und Kondensator sind erforderlich | Entsteht aufgrund der Phasenverschiebung von selbst |
| Anlauf | Kann ohne zusätzliches Bauteil nicht selbstständig anlaufen | Läuft nach dem Einschalten direkt an |
| Leistungsbereich | In der Regel unter 3 kW | Von einigen hundert Watt bis in den Megawattbereich |
| Wirkungsgrad und Drehmomentverhalten | Geringerer Wirkungsgrad, pulsierendes Drehmoment | Hoher Wirkungsgrad, gleichmäßiges Drehmoment |
| Typischer Einsatz | Werkstattmaschinen, Haushaltsgeräte, kleine Pumpen | Industrieanlagen, Produktionslinien |
Überall dort, wo ein Drehstromnetz verfügbar ist, wird ein dreiphasiger Motor bevorzugt. Einphasenmotoren werden nur bei kleinen Leistungen und dort eingesetzt, wo keine dreiphasige Versorgung verfügbar ist.
Einsatzgebiete von Asynchronmotoren
Der Asynchronmotor ist die Standardlösung für Anwendungen mit kontinuierlicher Bewegung und konstanter Drehzahl. Solange keine präzise Positionsregelung erforderlich ist, ist dieser Motortyp gegenüber Alternativen sowohl wirtschaftlicher als auch robuster.
Pumpen- und Ventilatorgruppen. Er ist der am häufigsten eingesetzte Motortyp für Wasser-, Abwasser- und Prozessflüssigkeitspumpen sowie für Lüftungs- und Kühlventilatoren. Pumpen und Heizungs- und Kühlungs Anwendungen basieren auf Antriebsgruppen mit diesen Motoren.
Förder- und Transportsysteme. Band-, Ketten- und Schneckenförderer benötigen eine kontinuierliche Bewegung mit konstanter Drehzahl. In diesen Anwendungen reicht der Motor allein nicht aus; zur Drehzahlreduzierung muss er mit einem Getriebe eingesetzt werden. Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem Beitrag zur Auswahl von Fördergetrieben .
Rührwerke und Mischer. In der Chemie-, Lebensmittel- und Baustoffproduktion benötigen die meisten Mischanlagen ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl. Chemie und Getränke- und Lebensmittel In diesen Anlagen ist diese Kombination Standard.
Mühlen-, Brecher- und Siebanlagen. Zement und Bergbau In diesen Anlagen sorgen leistungsstarke Asynchronmotoren auch unter schweren Betriebsbedingungen für einen kontinuierlichen Betrieb.
Kompressoren und Maschinenantriebe. Auch Antriebsgruppen für Drucklufterzeugung, Textilmaschinen und allgemeine Fertigungsanlagen arbeiten mit diesem Motortyp.
Einsatz eines Asynchronmotors mit Getriebe
Die größte Einschränkung eines Asynchronmotors in der Praxis ist die Drehzahl. Ein häufig eingesetzter 4-poliger Motor läuft mit etwa 1.440 U/min. Ein Förderband benötigt dagegen etwa 30 U/min, ein Mischer 20 U/min und eine Kranwinde rund 15 U/min. Dieser Unterschied kann elektrisch nicht ausgeglichen werden; er wird mechanisch durch ein Getriebe überbrückt.
Während das Getriebe die Drehzahl reduziert, erhöht es das Drehmoment im gleichen Verhältnis. Ein Getriebe mit einer Übersetzung von 50 reduziert die Motordrehzahl von 1.440 U/min auf etwa 29 U/min und erhöht gleichzeitig das Ausgangsdrehmoment ungefähr um den Faktor 50. Ein solches Drehmoment könnte der Motor allein niemals erzeugen – und genau dieses benötigt die Maschine.
Weitere Vorteile, die das Getriebe dem Asynchronmotor bietet, sind:
- Verbessertes Anlaufverhalten: Die Massenträgheit der Last wird über das Übersetzungsverhältnis reduziert auf den Motor zurückgespiegelt, wodurch die Belastung beim Anlauf sinkt.
- Geringerer erforderlicher Motorleistungsbedarf: Dank des Getriebes kann dieselbe Arbeit mit einem Motor geringerer Leistung ausgeführt werden; dadurch sinken sowohl Investitions- als auch Energiekosten.
- Flexible Anordnung: Unterschiedliche Montagepositionen und Abtriebswellenrichtungen ermöglichen es, den Motor an einer geeigneten Stelle der Maschine zu platzieren. Weitere Informationen bietet unser Beitrag zu Getriebe-Montagepositionen .
Die Einheit, bei der Motor und Getriebe in einer Baugruppe kombiniert sind, wird Getriebemotor genannt. Gegenüber Lösungen, bei denen beide separat ausgewählt und über eine Kupplung verbunden werden, ist sie kompakter, verursacht weniger Ausrichtfehler und lässt sich schneller montieren. Für technische Details, Auswahlkriterien und Vorteile dieser Kombination empfehlen wir unseren Beitrag über AC-Getriebemotoren ; dieser Beitrag behandelt den Motor selbst, während der andere die Kombination von Motor und Getriebe beschreibt.
Für die richtige Auslegung sind zwei Berechnungen erforderlich: das Übersetzungsverhältnis entsprechend der gewünschten Ausgangsdrehzahl der Maschine und das von der Last benötigte Ausgangsdrehmoment. Hierfür können die Formeln in unseren Beiträgen zur Getriebedrehzahlberechnung und Drehmomentberechnung direkt angewendet werden. Vergessen Sie nicht, den Betriebsfaktor in die Berechnung einzubeziehen; bei Stoßbelastungen und Anlagen mit langen täglichen Betriebszeiten bestimmt dieser Faktor die Lebensdauer des Getriebes.
Lassen Sie uns gemeinsam das richtige Getriebe für Ihre Antriebsgruppe auswählen
Die Leistung einer Antriebsgruppe wird nicht allein durch die Nennleistung des Motors bestimmt, sondern durch die Abstimmung von Motor und Getriebe auf die Anwendung. Eine falsch gewählte Übersetzung belastet den Motor dauerhaft, während ein zu niedrig angesetzter Betriebsfaktor dazu führt, dass das Getriebe deutlich früher als erwartet überholt werden muss.
Als Remak Redüktör produzieren wir seit 1987 Getriebe und Getriebeeinheiten und können gemeinsam mit Ihnen die passende Baureihe anhand von Drehzahl, Drehmoment und Betriebsart Ihrer Anwendung bestimmen. Sie können unsere im Industrieantrieb am häufigsten verwendete Familie der Stirnradgetriebe mit Schrägverzahnung ansehen und uns über unsere Kontakt seite die technischen Details Ihres Projekts mitteilen.
Häufig gestellte Fragen zu Asynchronmotoren
Was ist der Unterschied zwischen einem Asynchronmotor und einem Synchronmotor?
Der Unterschied besteht darin, ob sich der Rotor mit derselben Drehzahl wie das rotierende Magnetfeld bewegt. Beim Synchronmotor läuft der Rotor exakt mit der Feldgeschwindigkeit und die Drehzahl bleibt auch bei Laständerungen konstant; dafür ist ein permanentmagneterregter Rotor oder eine externe Erregung erforderlich. Beim Asynchronmotor läuft der Rotor stets etwas hinterher und die Drehzahl sinkt mit zunehmender Last leicht ab. Synchronmotoren bieten einen höheren Wirkungsgrad und konstante Drehzahl, Asynchronmotoren sind dagegen einfacher, kostengünstiger und robuster.
Warum ist der Anlaufstrom eines Asynchronmotors hoch und wie kann er reduziert werden?
Beim Anlauf steht der Rotor still, daher ist der Schlupf maximal und im Rotor wird ein sehr hoher Strom induziert. Der Motor zieht deshalb beim Start ein Mehrfaches seines Nennstroms. Um Netzspannungseinbrüche und das Auslösen von Schutzgeräten zu vermeiden, werden Stern-Dreieck-Anlauf, Softstarter oder Frequenzumrichter eingesetzt. Auch ein Getriebe erleichtert den Anlauf, da es die auf den Motor zurückwirkende Lastträgheit reduziert.
Wie kann die Drehzahl eines Asynchronmotors elektrisch verändert werden?
Da die Drehzahl von Netzfrequenz und Polzahl abhängt, lässt sie sich bei fester Netzfrequenz nicht verändern. Zur Drehzahlregelung wird ein Frequenzumrichter eingesetzt; dieser verändert die Motordrehzahl stufenlos, indem er die Frequenz senkt oder erhöht. Bei niedriger Frequenz dreht jedoch auch der Motorkühlventilator langsamer, wodurch das Überhitzungsrisiko steigt und sich die Drehmomentfähigkeit verändert. Bei Anwendungen, in denen die Drehzahl dauerhaft reduziert werden muss, ist der Einsatz eines Getriebes anstelle eines Frequenzumrichters sowohl effizienter als auch zuverlässiger.
Wie wird die Drehrichtung eines Asynchronmotors geändert?
Bei einem dreiphasigen Motor führt das Vertauschen zweier beliebiger Phasen zur Umkehr des Drehfelds und damit zur entgegengesetzten Drehrichtung des Motors. Dies geschieht durch Vertauschen zweier Phasenleiter im Klemmenkasten. Bei Einphasenmotoren wird die Drehrichtung durch Vertauschen der Anschlüsse der Hilfswicklung geändert. Vor der Umkehr muss geprüft werden, ob Getriebe und angetriebene Maschine für den Rückwärtsbetrieb geeignet sind; manche Systeme verfügen über eine Rücklaufsperre.
Warum überhitzt ein Asynchronmotor?
Zu den häufigsten Ursachen zählen: eine für die Last zu gering gewählte Motorleistung, häufiges Starten und Stoppen, unsymmetrische Netzspannung oder Phasenausfall, eine durch Staub verstopfte Lüfterhaube sowie eine Umgebungstemperatur oberhalb des Typenschildwerts. Motoren, die mit einem Frequenzumrichter dauerhaft bei niedriger Drehzahl betrieben werden, können zusätzlich einen Fremdlüfter benötigen, weil der eigene Lüfter nicht genügend Luft fördert. Da Wärme die Lebensdauer der Isolation direkt verkürzt, kann ein Weiterbetrieb ohne Ursachenklärung zum Durchbrennen der Wicklungen führen.
Was bedeuten die IE-Wirkungsgradklassen?
Die IE-Klassen (International Efficiency) sind eine internationale Klassifizierung dafür, wie effizient ein Motor elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Mit steigender Zahl nimmt der Wirkungsgrad zu: IE1 steht für Standardwirkungsgrad, IE2 für hohen Wirkungsgrad, IE3 für Premium-Wirkungsgrad und IE4 für Super-Premium-Wirkungsgrad. Bei einem kontinuierlich laufenden Motor ist der Anschaffungspreis im Vergleich zum Stromverbrauch über die Lebensdauer nur ein kleiner Kostenanteil; eine höhere Wirkungsgradklasse amortisiert sich daher häufig schnell. Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs wird sowohl durch den Motor als auch durch das Getriebe bestimmt; dieses Thema behandeln wir ausführlich auf unserer Seite zu Effizienz und Energieeinsparung.
