Asynchronmotor – SynErgie

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Elektrische Energie (Strom)	Mechanische Energie (Rotation)	Thermische Energie (Wärme)

Kurzbeschreibung

Physikalisches Prinzip: Lorentzkraft bewirkt ein Drehmoment im Asynchronmotor durch abstoßende Magnetfelder.

Motorprinzip: Ein rotierendes äußeres Statormagnetfeld, welches durch einen mehrphasig eingespeisten Drehstrom entsteht, induziert in den Rotorwicklungen ein entgegenwirkendes Magnetfeld. Durch die nichtsynchrone Drehung des Rotors zum rotierenden Magnetfeld entsteht ein Drehmoment.

Funktionsskizze

Kurzschlussläufer(Käfigläufer)-Asynchronmotor

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Wirkungsgrad im Motorbetrieb:

$\eta = \dfrac{E_\mathrm{mech}}{E_\mathrm{el}}$

Wirkungsgrad im Generatorbetrieb:

$\eta = \dfrac{E_\mathrm{el}}{E_\mathrm{mech}}$

Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten der abgegebenen und zugeführten Leistung. Die Differenz ist die Verlustleitung. Die Verlustleistung ergibt sich zum größten Teil aus den Kupferverlusten des Stators für n Phasen mit dem Widerstand R und dem effektiven Phasenstrom I_eff:

$P_\mathrm{vs} = n\ R\ I_\mathrm{eff}^2$

Die Rotorverluste ergeben sich im equivalenten Ersatzschaltbild aus den quadrierten induzierten Strömen mal dem equivalenten Rotorwiderstand.

$P_\mathrm{vr} = R\ I_\mathrm{rotor, eff}^2$

Eisenverluste im Stator und Rotor können über die Steinmetzgleichung angenähert werden und sind sehr stark vom Herstellungsverfahren und der Geometrie abhängig.

$P_\mathrm{ve} = k\ B^\alpha\ f^\beta$

Wirkungsgrad bis zu 50–98 %

(Fischer 2006)

Bauarten

Es gibt eine Vielzahl von Bauformen von Asynchronmotoren.
In Werkzeugmaschinen werden sie typischerweise für die Spindel eingesetzt.

Kurzschlussläufer (Käfigläufer)
Schleifringläufer

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Kurzschlussläufer	Schleifringläufer
Typisches Lastprofile	In Abhängigkeit der Regelungsvariante: konstant, taktend, kontinuierlich (Fischer 2006)
Maximale Schalthäufigkeiten	Dauerbetrieb (S1-Betrieb) (Fischer 2006)
Typische Anfahrzeiten	Mechanische Zeitkonstante (von einigen Millisekunden bis Sekunden je nach Aufbau) (Fischer 2006)
Regelbarkeit	Stufenlose Regelbarkeit über U/f-Betrieb oder Vektorregelung (Fischer 2006). Die Regelung ist aber deutlich komplizierter als beim Synchronmotor oder Gleichstrommotor, da ein Beobachter für den Fluss ausgelegt werden muss. (Weck 2006)
Drehmomentregelung	Stromregelkreis (i. d. R. über PI-Regler) (Weck 2006)
Drehzahlregelung	Kaskadierter Regelkreis aus Strom und Drehzahl (2 PI-Regler) mit/ohne (Drehzahl-) Geber (Weck 2006)
Lageregelung	Kaskadierter Regelkreis aus Strom, Drehzahl und Lage mit/ohne Winkel- und Positionsgeber. Von einer genauen Positionierung ist auch mit Geber abzusehen.

Energetische Kennwerte

Bauart	Kurzschlussläufer	Schleifringläufer
Verfügbare Leistungsklassen	Bei Windkraftanlagen bis in den Megawattbereich
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung	Siehe Berechnung der Verluste
Nutzbarer Anteil der Verlustleistung	Sehr variabel, da Verlustleistung sehr genau vorhergesagt werden kann. Dieser Anteil kann durch spezielle Ansteuerung erhöht oder vermindert werden.
Verfügbare Energieniveaus	Keine Beschränkung

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Kurzschlussläufer	Schleifringläufer
€ Invest/kW	Eigenschätzung (je nach Größe/Bauform/Stückzahl): ca. 10–500
Platzbedarf/kW	Abhängig von Anzahl der Pole (Drehmoment-Drehzahl)
Wartungs- und Instandhaltungskosten/kWh	Fast wartungsfrei. Die meisten Wartungskosten verursachen die Lager oder ein evtl. eingebautes Getriebe.
Typische Lebensdauer/h	Keine einheitlichen Werte. Richtwert: 20.000 h. (Nolle 2007)

Technologische Kennwerte

Bauart	Kurzschlussläufer	Schleifringläufer
Ökobilanz	Abhängig vom Herstellungsverfahren
Gefährdungspotenzial	Unterschiedlich Mit seltenen Erdenmagneten sehr schlecht, besser: Ferritmagneten oder Fremderregung
Systemkomplexität	+ im Allgemeinen Große Maschinen haben durchaus Gefährungspotential

Entwicklungstendenz

Im Bereich von Asynchronmaschinen gibt es viel Forschung im Bereich der Regelung, um noch effizienter diesen Motor zu betreiben
Insbesondere durch den steilen Anstieg der Kosten von Permanentmagneten sind Asynchronmotoren wieder in den Fokus gekommen

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

robuster als Synchronmotoren bei Überlastung
fast wartungsfrei in vielen Fällen (Ausnahmen i. d. R. wegen mechanischem Verschleiß und Verschmutzung)
großer Drehzahlbereich

Nachteile

kleines Startdrehmoment
aufwändige Regelung

Anwendungsbeispiele

Aufgrund ihrer Robustheit und des guten Preis-Leistungsverhältnisses werden sie in Spindelmotoren, aber auch in Lüfter und Pumpen verschiedener Aggregate verwendet.

Literaturverzeichnis

Noll, E. (2007): Elektrische Maschinen, Vorlesungsskript
Fischer, R. (2006): Elektrische Maschinen. Hanser-Verlag
Weck, M.; Brecher, C. (2006): Werkzeugmaschinen 3: Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe, Prozessdiagnose. Springer-Verlag