Kurzschlussläufer

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Prinzipzeichnung eines Käfigläufers (beispielhaft mit nur drei Eisenblechlamellen)
Einzelne Lamelle eines Eisenblechpakets eines Läufers (innen) und Ständers (außen)
Ausgebauter Käfigläufer

Kurzschlussläufer oder Käfigläufer werden die Rotoren von Asynchronmotoren genannt, die statt einer aus Draht gewickelten, über Schleifringe versorgten Spule einen im Blechpaket dauernd kurzgeschlossenen Käfig (massive Windungen) besitzen.[1] Der Kurzschlussläufer wurde 1889 von Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski nach Vorarbeiten von Galileo Ferraris entwickelt. Bereits zu Beginn der 1890er Jahre wurden bei der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft (AEG) Kurzschlussläufer gebaut und in Asynchronmotoren eingesetzt.[2]

Aufbau[Bearbeiten]

Der Kurzschlussläufer ist wesentlich einfacher aufgebaut als der Läufer des Schleifringläufermotors. Der Läufer besteht aus einem Eisenblechpaket, in das Metallstäbe aus Nichteisenmetallen eingebettet sind.[3] Das Eisenblechpaket besteht aus 0,5 Millimeter dicken, gegenseitig isolierten Blechen, in die zur Aufnahme der Läuferstäbe Nuten eingestanzt sind. Die Bleche für Läufer kleinerer Maschinen werden im Komplettschnitt-, die Bleche von größeren Läufern werden im Hackschnittverfahren hergestellt.[4] Die Läuferstäbe sind mit beidseitigen metallenen Kurzschlussringen versehen.[5] Für Motoren mit kleinerer Leistung bis 100 Kilowatt wird die „Käfigwicklung“ in entsprechende Aussparungen des Eisenblechpakets (Nuten oder Löcher) im Aluminium-Druckgußverfahren eingegossen. Bei großen Leistungen wird die Käfigwicklung im Eisenblechpaket des Rotors aus Kupfer-, Messing oder Bronzestäben aufgebaut, die in beiderseits außenliegende Kurzschlussringe aus dem gleichen Material eingelötet werden.[3] Die Läuferstäbe sind beim Kurzschlussläufer in der Regel als Rundstäbe ausgeführt. Man spricht bei dieser Bauweise vom Rundstabläufer. Die Stäbe liegen nicht so tief im Läufereisen wie bei anderen Bauformen. Die Nuten für den Käfigläufer verlaufen in der Regel etwas schräg. Die Läuferstäbe werden als einfach geschränkte oder doppelt geschränkte Käfige aufgebaut. Käfige mit doppelt geschränkten Läuferstäben nennt man auch Staffelläufer. Durch das Schränken der Läuferstäbe erzielt man günstigere Anlaufbedingungen, so werden hierdurch das Nutenpfeifen, ein inhomogenes Drehmoment, magnetische Wirbelungen, Rüttelkräfte und Bremsungen vermindert.[6]

Bei Kurzschlussläufern ist die Nutenzahl im Blechpaket anders als die Nutenzahl des Ständers, sie kann entweder größer oder kleiner sein. In der Regel hat der Kurzschlussläufer eine kleinere Nutenzahl als der Ständer.[4] Diese Bauweise hat unterschiedliche Gründe. Zum Einen dient die unterschiedliche Nutenzahl als Maßnahme zur Überwindung des Sattelmoments.[6] Außerdem können so gestaltete Läufer für Motoren mit unterschiedlichen Polpaarzahlen verwendet werden.[4] Werden für den Läuferkäfig spezielle Widerstandslegierungen verwendet, haben diese Läufer einen erhöhten Schlupf, sie werden deshalb Widerstandsläufer oder Schlupfläufer genannt.[7] Eine besondere Bauart des Käfigläufers ist der Stromverdrängungsläufer.[1] Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, wurden spezielle Rotoren mit Läuferstäben aus Kupfer entwickelt und seit dem Jahr 2003 auch in Motoren verwendet. Solche so aufgebauten Rotoren werden Kupferrotoren genannt.[8] Der Dämpferkäfig (Dämpferwicklung) einer Synchronmaschine ähnelt im Aufbau dem Kurzschlussläufer.

Wirkungsweise[Bearbeiten]

Durch das magnetische Drehfeld der Ständer-Spulen wird in dem Metallkäfig eine Läuferspannung induziert. Aufgrund der untereinander kurzgeschlossenen Metallstäbe fließen in den Läuferstäben entsprechende Läuferströme, die ein eigenes Magnetfeld erzeugen.[5] Die Ströme des Läufers ändern sich sinusförmig, sie bilden im Zeigerdiagramm einen Polygonzug.[4] Die Verkopplung des Stator-Drehfeldes mit dem Käfigläufer-Feld führt zur Drehbewegung des Rotors. Bei steigender Drehzahl sinken sowohl die induzierte Läuferspannung, als auch der Läuferstrom. Außerdem verringert sich der Läuferblindwiderstand, was zur Folge hat, dass die Phasenverschiebung zwischen Läuferspannung und Läuferstrom kleiner wird.[5]

Betriebsverhalten[Bearbeiten]

Motoren mit Kurzschlussläufer verhalten sich im Betrieb wie kurzgeschlossene Schleifringläufermotoren. Aufgrund der Rundstäbe haben sie einen großen Anzugsstrom und ein kleineres Anzugsmoment.[1] Das ungünstige Anzugsmoment ist bedingt durch den geringen ohmschen Widerstand der Läuferstäbe. Bei etwa 1/7 der synchronen Drehzahl kommt es oftmals zu einer Einbuchtung der Kennlinie. Dieser Sattel wird durch Oberwellen verursacht. Erreicht dann der Motor nicht das erforderliche Hochlaufmoment, kann es vorkommen, dass der Rotor bei dieser Drehzahl festgehalten wird und nicht weiter auf seine Nenndrehzahl hochläuft.[6] Sobald der Läufer auf Nenndrehzahl ist, sinkt die Drehzahl bei Belastung nur wenig. Der Motor zeigt ein Nebenschlussverhalten.[5] Da Drehstrommotoren mit Kurzschlussläufer für bestimmte Anwendungen dennoch ein zu großes Anlaufmoment besitzen, verwendet man dort, wo ein sanfterer Anlauf erforderlich ist, die KUSA-Schaltung.[9] Der Anzugsstrom bei Motoren mit Rundstabläufer beträgt das acht- bis zehnfache des Nennstroms.[1] Der Läuferstrom lässt sich aufgrund der Bauweise des Läufers während des Betriebes nicht verändern.[10] Drehstromasynchronmotoren mit Kurzschlussläufer können unter bestimmten Voraussetzungen als Asynchrongenerator arbeiten.[1]

Literatur[Bearbeiten]

  • Detlev Roseburg: Elektrische Maschinen und Antriebe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 1999, ISBN 3-446-21004-0
  • Dierk Schröder: Elektrische Antriebe-Grundlagen. 3. Auflage, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 2007, ISBN 978-3-540-72764-4

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d e A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4.Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965
  2. Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14. Auflage, Carl Hanser Verlag, München und Wien, 2009, Seite 170, ISBN 978-3-446-41754-0
  3. a b Franz Moeller, Paul Vaske (Hrsg): Elektrische Maschinen und Umformer. Teil 1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten, 11. überarbeitete Auflage, B. G. Teubner, Stuttgart 1970
  4. a b c d Hanskarl Eckardt: Grundzüge der elektrischen Maschinen. B. G. Teubner, Stuttgart 1982, ISBN 3-519-06113-9
  5. a b c d Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
  6. a b c Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9
  7. Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4
  8. Eine runde Sache: Kupferrotoren (abgerufen am 24. Februar 2012; PDF; 548 kB)
  9. FANAL Schaltungspraxis. 7. Auflage, Metzenauer & Jung GmbH, Wuppertal
  10. Der Drehstrom-Asynchronmotor am Netz. (abgerufen am 24. Februar 2012)

Weblinks[Bearbeiten]