Wechselstrommotor

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Wechselstrommotoren sind Elektromotoren, die mit einphasigem Wechselstrom, also mit nur einem Außenleiter (Phase) aus dem Dreiphasenwechselstrom, betrieben werden. Wechselstrommotoren können nach verschiedenen Prinzipien arbeiten. Ein Drehfeld ist bei ihnen nicht schon durch die Speisung gegeben. Daher sind zusätzliche konstruktive Maßnahmen nötig, um eine Drehbewegung zu erzielen.

Einphasen-Reihenschlussmotor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Geöffneter Einphasen-Reihenschlussmotor, wie er in Haushaltsgeräten wie einem Staubsauger verwendet wird

Der Einphasen-Reihenschlussmotor, bei kleinen Leistungen auch als Universalmotor bezeichnet, ist eine einfache Form des Wechselstrommotors. Sein Prinzip ist vom Gleichstrommotor abgeleitet. Er zählt wie dieser zu den Stromwendermaschinen. Die Drehbewegung wird durch einen Kommutator (Stromwender) erreicht. Dieser Motor eignet sich für alle Geräte und Werkzeuge des täglichen Gebrauchs, da er auf Grund der hohen Drehzahlen nur einen kleinen Bauraum benötigt und ein hohes Anlaufdrehmoment erzeugt. Seine Drehzahl und Leistung kann über Phasenanschnitt verstellt werden. Universalmotoren für Anwendungen im Haushaltsbereich werden mit Leistungen bis 3 kW produziert.

Auch der früher bei elektrischen Bahnen eingesetzte Bahnmotor ist ein Einphasen-Reihenschlussmotor. Üblicherweise mit Leistungen über 3 kW gebaut, wurden diese Motoren inzwischen als Antrieb für Bahnen weitgehend durch Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern ersetzt.

Kondensatormotor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Kondensatormotor

Beim Kondensatormotor wird die Hauptwicklung direkt an das Stromnetz angeschlossen und eine Hilfswicklung über einen Kondensator in Reihe ans Netz geschaltet. Es entsteht ein elliptisches Drehfeld, das zwar zum Anlaufen des Motors ausreicht, aber im Betrieb die Energieeffizienz und Laufruhe prinzipiell beeinträchtigt. Für höhere Anlaufmomente werden Anlaufkondensatoren – oft bipolare Elektrolytkondensatoren – verwendet, die nach Erreichen der Nenndrehzahl zum Beispiel durch einen Fliehkraft- oder Magnetschalter wieder vom Stromkreis getrennt werden.

Drehstromasynchronmaschinen können mit reduzierter Leistung und ungleichmäßigen Drehmoment am einphasigen Netz betrieben werden, wenn sie mit Kondensatoren beschaltet werden. Diese Schaltung ist als Steinmetzschaltung bekannt. Die Wicklungen der Drehstromasynchronmaschine unterscheiden sich allerdings grundsätzlich von denen des Kondensatormotors.

Spaltpolmotor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Spaltpolmotor

Beim Spaltpolmotor wird das Drehfeld durch ein durch Wirbelströme phasenverschobenes Magnetfeld erzeugt. Dazu ist jeder Pol des Ständers gespalten und eine Hälfte ist mit einem Kurzschlussring oder einer abschaltbaren Kurzschlusswicklung versehen, so dass dort das Magnetfeld dauernd oder beim Anlauf verzögert aufgebaut wird.

Einphasen-Asynchronmotor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine einfache Ausführung des Wechselstrommotors ist der Einphasen-Asynchronmotor, historisch wegen seines Betriebsverhaltens auch als Anwurfmotor bezeichnet. Als Besonderheit weist dieser Motor bei Stillstand kein Drehmoment auf, läuft also nicht selbstständig an.[1] Er wird beispielsweise mit der Hand oder anderen externen Hilfsmitteln in Rotation versetzt. Ab einer gewissen Drehzahl läuft der Motor dann selbst in Anwurfrichtung bis auf Nenndrehzahl hoch. Eine schwache Hilfswicklung die sich nach Hochlaufen abschaltet ist bei Kältekompressoren in Haushaltsgeräte weit verbreitet.

Aufgrund der kostengünstigen Herstellung wurde er Mitte des 20. Jahrhunderts als Antriebsmaschine, beispielsweise bei landwirtschaftlichen Geräten, verwendet.[2] Da nur eine einphasige Wicklung im Ständer zum Einsatz kommt, ist der Einphasen-Asynchronmotor mit weniger Materialeinsatz und kostengünstiger als der Drehstrom-Asynchronmotor herzustellen, weist aber einen schlechteren Wirkungsgrad und ein ungleichmäßiges Drehmoment auf. Zum Wechseln der Drehrichtung muss der Motor gestoppt werden und in der anderen Richtung angeworfen werden.

Im Aufbau ist der Einphasen-Asynchronmotor, wie die Drehstrom-Asynchronmaschine mit einem Kurzschlussläufer ausgestattet. Die einzige Phase im Ständer erzeugt kein Drehfeld. Zwischen dem Kurzschlussläufer und dem Ständer besteht durch die Kurzschlusswindungen ein entgegengesetztes Magnetfeld. Stößt man den Motor jedoch in eine Richtung an bewegt sich das in den Kurzschlusswindungen angeregte Magnetfeld mit dem Kurzschlussläufer. Dadurch stehen sich die Magnetfelder nicht mehr senkrecht entgegen und durch die Abstoßungskräfte entsteht ein Drehmoment in die angestoßene Richtung, das den Motor bis annähernd zur Netzfrequenz beschleunigt.

Das einachsige Wechselfeld, welches von der Wechselspannung erzeugt wird, lässt sich im Rahmen der symmetrischen Komponenten gleichwertig in zwei gleichwertige aber gegenläufige Kreisfelder, gebildet durch Zweiphasenwechselstrom, zerlegen. Der Einphasen-Asynchronmotor wird in diesem Ersatzmodell durch zwei gegenphasige und in Reihe geschaltete Zweiphasenmotoren auf einer gemeinsamen Welle modelliert. Bei Stillstand heben sich die beiden Drehmomente der beiden Teilmotoren gegenseitig auf – nach Anwurf in einer Richtung kommt es zu der Drehbewegung, da der eine modellierte Teilmotor durch die Drehzahl ein höheres Drehmoment als der gegenläufige Teilmotor bildet.[1]

Beschaltung der Anlassvorrichtung

Zum Anwerfen des Einphasen-Asynchronmotor eignet sich auch eine Startschaltung mit Hilfswicklung. Der Phasenversatz für das Drehfeld entsteht dabei üblicherweise durch einen ohmschen Widerstand in Reihe zur Induktivität der Hilfswicklung. Die Abschaltung der Hilfsphase kann durch ein Stromrelais in Serie zur Hauptwicklung erfolgen. Gängiger ist heute ein PTC-Widerstand, der sich nach dem Einschalten selbst erhitzt und nach kurzer Zeit hochomig wird. Er muss sich aber nach dem Ausschalten erst wieder abkühlen, damit der wieder Motor starten kann. Fliehkraftschalter sind ebenfalls zweckmäßig. Für die verschieden Ansätze werden Begriffe Anlassvorrichtung oder im Fall des PTC-Widerstands nicht ganz korrekt „Anlaufrelais“ verwendet.

Die Leistung des Einphasen-Asynchronmotors beträgt ca. 50 % eines gleich großen Dreiphasen-Asynchronmotors. Die niedrige Leistung hängt mit dem im Vergleich zu Dreiphasenmaschinen schlechten Wicklungsfaktor zusammen, da ca. 1/3 des Wickelraumes mit den Nuten im Ständer prinzipbedingt nicht genutzt werden kann. Der Anwurfmotor wird heute kaum noch verwendet.

Gelegentlich ist aber mit „Anwurfmotor“ einfach ein kleiner Motor gemeint (i. A. kein Einphasen-Asynchronmotor), der zum Anwerfen eines großen Motors dient.[3]

Repulsionsmotor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Repulsionsmotor

Bei dem Repulsionsmotor handelt es sich um eine Sonderbauform eines Einphasenasynchronmotors, bei dem zwecks Drehzahl- und Drehmomenteneinstellung die Bürsten in ihrer Position mechanisch verstellt werden können. Damit kann beispielsweise beim Anfahren ein besonders hohes Drehmoment erreicht werden, welches ein fast ruckfreies Starten des Motors unter Last erlaubt.

Weitere Verfahren und Methoden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine weitere Art des Wechselstrommotors ist der Reluktanzmotor, der im Gegensatz zum normalen Asynchronmotoren nach dem Hochlaufen als Synchronmotor mit synchroner Drehzahl weiterläuft. Besondere Läuferbleche mit ausgeprägten Polen bewirken dieses Verhalten.

Auch Synchronmotoren können unter bestimmten Bedingungen mit reduzierter Leistung einphasig betrieben werden; sie benötigen dann unter anderem eine Anlaufhilfe und laufen ungleichmäßig.

Eine weitere und sehr universelle Möglichkeit, welche mittlerweile fast alle anderen Motorsysteme abgelöst hat, ist einen Asynchronmotor mit einem elektronischen Frequenzumrichter zu betreiben, welcher die einphasige Wechselspannung gleichrichtet und nachfolgend in Dreiphasenwechselstrom mit einem Drehfeld elektronisch umwandelt. Mit dieser festen Kombination eines Frequenzumrichters und eines Asynchronmotors ist neben der Wahl verschiedener Stromversorgungen und Spannungen auch der Betrieb an Gleichspannung, wie zum Beispiel an Batterien, sowie eine Drehzahlverstellung und Wahl des Drehmoments am Motor in weiten Bereichen möglich, was unter anderem die Realisierung von hochdynamischen Antriebssystemen bei vollautomatischen Werkzeugmaschinen oder im Bereich der Elektromobilität erlaubt.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 16. Auflage. Carl Hanser Verlag, 2013, ISBN 978-3-446-43813-2.
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.
  • Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1. Auflage. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998, ISBN 3-14-221730-4.
  • Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 1990, ISBN 3-8085-5002-3.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Jaroslav Štěpina: Die Einphasen-Asynchronmotoren - Aufbau, Theorie und Berechnung. Springer, 1982, ISBN 978-3-7091-8660-2, Kapitel 3.4: Der einsträngige Einphasenmotor (Anwurfmotor), S. 53–65.
  2. Franz Moeller, Otto Repp: Elektromotor und Arbeitsmaschine. Springer-Verlag, 1936, ISBN 978-3-662-01845-3.
  3. Rodundwerk II - Kraftwerksquerschnitt. (Memento vom 14. August 2014 im Internet Archive) auf: illwerke.at