Induktions-Elektromotor (Käfigläufer)

Einführung

Induktionsmotoren – auch bekannt als Asynchronmotoren – sind die am häufigsten verwendeten Elektromotoren heutzutage. Aufgrund ihres einfachen Designs, ihrer geringen Kosten und hohen Zuverlässigkeit werden Induktionsmotoren in einer Vielzahl von Anwendungen in allen Ingenieurbereichen eingesetzt.

Induktionsmotor

 

Typen/Designs

Es gibt zwei Haupttypen von Induktionsmotoren: Einphasen (1~) und Dreiphasen (3~).

Einphasen-Induktionsmotor-Designs umfassen:

• Spaltpol-Induktionsmotoren - verwendet in Maschinen, bei denen die Startfrequenz begrenzt ist und der Antrieb 1 kW nicht überschreitet.
• Kondensatorstart-Induktionsmotoren - eingesetzt in Maschinen mit höheren Trägheitslasten und solchen, die häufige Starts erfordern, z. B. Förderbänder.
• Kondensatorstart-Kondensatorlauf-Induktionsmotoren - ähnliche Anwendungen wie Kondensatorstart-Induktionsmotoren; ein zusätzlicher Kondensator wird installiert, wenn der Motor in Betrieb ist.
• Schattpol-Induktionsmotoren – der ursprüngliche AC-Induktionsmotor. Er wird immer noch in kleinen Geräten und solchen verwendet, die ein geringes Anlaufmoment erfordern, z. B. Plattenspieler, Projektorlüfter, Fotokopiermaschinenlüfter, Haartrockner usw.

Dreiphasen-Induktionsmotor-Designs umfassen:

• Käfigläufer-Induktionsmotoren - gewählt für ihre Langlebigkeit und geringen Wartungsaufwand. Dieses Induktionsmotor-Design ist das am häufigsten verwendete.  
• Schleifringläufer-Induktionsmotoren - bieten ein hohes Drehmoment und einen niedrigen Anlaufstrom; verwendet z. B. für Aufzüge, Kräne und Hebezeuge.

Obwohl Induktionsmotoren in zahlreichen Formen existieren, konzentriert sich dieser Artikel auf das Dreiphasen-Käfigläufer-Induktionsmotor-Design, da es bei weitem der häufigste Typ von Induktionsmotor ist.

Tipp - der Begriff ‘Induktion’ bezieht sich darauf, dass elektrischer Strom im Rotor-Käfig induziert wird, wenn der Motor in Betrieb ist; dies unterscheidet sich von anderen Motoren, bei denen der Rotorstrom von einer externen Quelle geliefert wird.

 

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Induktionsmotor-Komponenten

 

Die zwei Hauptbaugruppen innerhalb eines Induktionsmotors sind der Stator und der Rotor; der Stator und der Rotor bestehen jedoch aus kleineren Einzelkomponenten.

Stator

Der Stator ist der stationäre Teil des Motors und besteht aus einem Gehäuse mit Schlitzen und einer Reihe von Wicklungen.

Statorwicklungen

Die Wicklungen erhalten dreiphasige Wechselstromversorgung, wodurch ein Magnetfeld um jede der Wicklungen entsteht, das sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn Strom fließt. Jede Wicklung wird in Paaren und in Reihenfolge erregt, um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen. Statorwicklungen werden normalerweise aus Kupfer hergestellt, obwohl auch andere Materialien wie Aluminium verfügbar sind.

Statorgehäuse

Der Stator wird durch das Stapeln sehr dünner, hochpermeabler Stahlbleche in einem Stahl- oder Gusseisenrahmen konstruiert. Der Rahmen ist am Boden befestigt und die Außenseite des Rahmens ist bemalt und für Außenbetrachter sichtbar. Häufige Motorrahmenkonstruktionsmaterialien umfassen verschiedene Qualitäten von Stahl und Gusseisen.  

Rotor

Innerhalb des Stators befindet sich eine massive Metall-welle, Lamellen und ein Käfigläufer; diese Baugruppe ist als Rotor bekannt und ist der drehende Teil des Motors.

Die Rotorwelle hat normalerweise eine lange und dünne zylindrische Form, dies ist jedoch designabhängig. Die Stahlbleche, der Käfigläufer und die Lager sind alle auf der Rotorwelle montiert. Rotorwellen werden normalerweise aus Edelstahl hergestellt, da dieser langlebig, mechanisch stark und korrosions- und erosionsbeständig ist.

Induktionsmotor-Rotor

Der Käfigläufer ist ein zylindrisch geformter Käfig, der um die Welle passt, mit Stäben, die zwischen seinen beiden Enden verlaufen. An beiden Enden des Käfigläufers sind Endringe angebracht, um einen Kurzschluss zu erzeugen, durch den der induzierte Strom fließen wird. Käfigläufer werden typischerweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt.

Induktionsmotor-Käfigläufer

Dünne Stahlbleche werden auf die Käfigläuferstäbe geschoben und zwischen den Endringen komprimiert; die Rotorblechmaterialien sind ähnlich wie die für die Statorbleche verwendeten. Die Bleche folgen keiner perfekt geraden Ausrichtung, sondern sind leicht schräg, um das erzeugte Drehmoment zu erhöhen. Es gibt einen maximalen Grad der ‘Schrägstellung’, den diese Bleche annehmen können, und dieser hängt vom Design des Motors ab. Die Schrägstellung der Bleche reduziert auch das Risiko, dass der Motorrotor in einer Position zwischen den Magnetfeldern ‘verriegelt’; dieses Szenario führt dazu, dass der Rotor stationär bleibt und sich nicht dreht, selbst wenn Strom zu den Statorwicklungen geliefert wird.

 

Endschilde und Lager

Endschilde (Endglocken) sind an den gegenüberliegenden Enden des Motorrahmens montiert; die Rotorwelle verläuft durch beide Endschilde. Ein Ende der Welle ist das Antriebsende (mit der Last verbunden), während das andere das nicht angetriebene Ende ist (normalerweise mit einem Kühlventilator verbunden); beide Wellenenden haben Wellenkeile zur Übertragung der mechanischen Bewegung von der Welle auf ihre Verbindungen.

Reibungslager

Staubschilde können zwischen der Welle und den Endschildern installiert werden, um das Eindringen von Fremdpartikeln in das Innere des Motors zu verhindern. Fremdpartikel können zur Verschlechterung der Wicklungen oder anderer Teile eines Motors führen; Feuchtigkeitseintritt ist eine der häufigsten Formen des Motorausfalls.

An beiden Enden der Rotorwelle sind Reibungslager installiert. Jedes Lager ist auf der Rotorwelle montiert und in einer Vertiefung innerhalb jeder Endglocke untergebracht. Ein Lager wird normalerweise mit einem Sicherungsring (Halteclip) gehalten, während eine Federunterlegscheibe für das gegenüberliegende Lager verwendet wird (designabhängig). Der Einsatz von Lagern stellt sicher, dass sich die Welle reibungslos dreht und minimalen Reibungswiderstand erzeugt, was besonders wichtig ist, da sich die Welle mit hohen Geschwindigkeiten drehen kann.

Info – größere Motoren verwenden keine Reibungslager, sondern Gleitlager. Der Wechsel des verwendeten Lagertyps verändert auch das Design erheblich. Zum Beispiel erfordern Gleitlager mehr Platz, eine Form der Schmierung (normalerweise Öl) und verwenden keine Federunterlegscheiben oder Sicherungsringe. Gleitlager sind auch für höhere Lasten ausgelegt.

 

Ventilator und Ventilatorabdeckung

An das nicht angetriebene Ende der Rotorwelle ist ein Axialventilator angebracht; wenn sich der Rotor dreht, dreht sich auch der Ventilator. Der Ventilator bläst Luft über das Äußere des Motorrahmens, um ihn während des Betriebs zu kühlen. Die Lamellen des Motorrahmens dienen als Wärmetauscher und haben eine große Kontaktfläche, was die Wärmeübertragungsrate vom Motor zur Luft erhöht und somit die Selbstkühlkapazität des Motors steigert.

Eine Ventilatorabdeckung schützt den Ventilator vor großen Fremdkörpern und schützt Personen oder Objekte in der Nähe vor den sich bewegenden Ventilatorblättern.

Motorventilatorabdeckung

Info - ein überhitzter Motor kann die Isolierung um die Wicklungen schmelzen und einen Kurzschluss verursachen; dieser Ausfallmodus ist leider nicht ungewöhnlich, kann jedoch leicht vermieden werden, wenn immer eine ausreichende Kühlung gewährleistet ist.

 

Vorteile und Nachteile

Vorteile von Induktionsmotoren

• Weit verbreitet - Induktionsmotoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen sowohl im häuslichen als auch im industriellen Bereich eingesetzt. Es wird geschätzt, dass etwa 70% der heute in der Industrie verwendeten Maschinen von Dreiphasen-Induktionsmotoren angetrieben werden.
• Günstig und einfach zu installieren - Käfigläufer-Induktionsmotoren enthalten keine Bürsten, Schleifringe, Kommutatoren, Permanentmagnete, Positionssensoren oder andere Komponenten, die ihre Gesamtkosten erhöhen. Ihre einfache Konstruktion sorgt dafür, dass sie im Allgemeinen einfach zu installieren und zu warten sind. Das Fehlen von Bürsten in Käfigläufer-Induktionsmotoren bedeutet, dass innerhalb des Motors keine elektrischen Entladungen (Funken) entstehen (theoretisch). Induktionsmotoren können daher in gefährlicheren Umgebungsbedingungen betrieben werden, sofern sie entsprechend modifiziert sind (Ex-geschützte Motoren usw.).
• Geringer Wartungsaufwand - Induktionsmotoren erfordern relativ wenig Wartung, insbesondere im Vergleich zu Gleichstrommotoren, die Kohlebürsten enthalten, die leicht verschleißen.  
• Lange Lebensdauer - Induktionsmotoren gelten als vergleichsweise langlebig, da ihre Teile mechanisch stark, korrosions- und erosionsbeständig sind und geringe Verschleißraten aufweisen.
• Hohe Effizienz - Induktionsmotoren haben eine hohe Effizienz.
• Selbstanlaufend - Dreiphasen-Induktionsmotoren sind von Natur aus selbstanlaufend, d. h. wenn elektrischer Strom zu den Statorwicklungen geliefert wird, dreht sich der Motor, es ist keine andere externe Kraft erforderlich.

Nachteile von Induktionsmotoren

• Schlechtes Anlaufmoment - aufgrund ihres Designs haben Induktionsmotoren typischerweise ein geringes Anlaufmoment, ein Nebenkostenfaktor ihrer hohen Effizienz. Aus diesem Grund sind Induktionsmotoren für Anwendungen, die ein hohes Anlaufmoment erfordern, ungeeignet. Das Problem kann jedoch umgangen werden, indem der Motor indirekt mit der Last verbunden wird, z. B. über Zahnräder, Riemenscheiben usw.
• Niedriger Leistungsfaktor bei geringer Last – während des Anlaufs und bei geringer Last benötigt der Motor einen großen Magnetisierungsstrom, um den Widerstand zu überwinden, der durch den Luftspalt zwischen Stator und Rotor erzeugt wird. Die Vektorsumme des Last- und Magnetisierungsstroms führt dazu, dass die Spannung nachläuft, was zu einem niedrigen Leistungsfaktor führt. Aufgrund des hohen Magnetisierungsstroms wird der Motor auch einen Anstieg der Kupferverluste erfahren, was seine Gesamteffizienz verringert. 
• Schwierigkeiten bei der Drehzahlregelung - da ein Dreiphasen-Induktionsmotor ein Konstantdrehzahlmotor ist, erfährt er von Natur aus nur sehr geringe Drehzahländerungen, was die Manipulation seiner Drehzahl erschwert. Dieses Problem wurde jedoch in den letzten Jahren durch den Fortschritt und die Anwendung der Frequenzumrichtertechnologie erheblich gemildert. 

 

Modellanmerkungen

Ventilatorabdeckung

Eine Abdeckung verhindert versehentliche Schäden am Ventilator und an Personen.

Axialventilator

Ein Ventilator wird verwendet, um den Motor zu kühlen. Luft wird durch die Ventilatorabdeckungsgitter angesaugt, aufgrund des vom Ventilator erzeugten Unterdrucks, und die Luft wird dann über das Motorgehäuse geleitet. Die strömende Luft kühlt den Motor und reduziert das Risiko einer Überhitzung.

Mutter

Muttern und Schrauben werden verwendet, um Teile des Motors zusammenzuhalten. Ausgewählte Muttern sollten geeignete Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Muttern sind der ‘weibliche’ Teil einer Mutter- und Schraubenbaugruppe.

Sicherungsunterlegscheibe

Sicherungsunterlegscheiben werden verwendet, um eine kontinuierliche Zugkraft (Dehnungskraft) auf die Schrauben- und Mutterbaugruppe auszuüben. Die Zugkraft reduziert die Möglichkeit, dass sich die Mutter durch Vibrationen löst.

Flache Unterlegscheibe

Die flache Unterlegscheibe verteilt die Druckkraft, die von der Schrauben- und Mutterbaugruppe beim Anziehen ausgeübt wird. Die Unterlegscheibe verhindert auch, dass die Schraube und Mutter beim Anziehen in die Metalloberflächen ‘eindringen’.

Motorenddeckel

Der Enddeckel beherbergt das Lager, den Sicherungsring und manchmal eine Staubdichtung. Die beiden Enddeckel stützen das Gewicht der Welle.

Lagergehäuse

Das Lager ist in diesem Raum untergebracht.

Sicherungsringgehäuse

Der Sicherungsring wird mit Sicherungsringzangen installiert. Nach dem Öffnen der Zangen dehnt sich der Sicherungsring aufgrund der Restzugkräfte aus. Die Restkraft hält den Sicherungsring fest in der Nut und verhindert die axiale Bewegung des Lagers.

Abgedichtetes Kugellager

Ein abgedichtetes Kugellager ermöglicht es dem Rotor, sich zu drehen, ohne die Drehbewegung auf andere stationäre Teile zu übertragen, d. h. das Motorgehäuse.

Sicherungsring/Halteclip

Ein Halteclip wird verwendet, um das Lager im Motorenddeckelgehäuse zu halten. Der Ring verhindert die axiale Bewegung des Lagers.

Schraube

Muttern und Schrauben werden verwendet, um Teile des Motors zusammenzuhalten. Ausgewählte Schrauben sollten geeignete Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Schrauben sind der ‘männliche’ Teil einer Mutter- und Schraubenbaugruppe.

Motorgehäuse

Das Motorgehäuse beherbergt die Stator- und Rotorbaugruppe. Das Gehäuse muss stark genug sein, um den elektrischen und mechanischen Belastungen des Motors sowie den physischen Anforderungen seiner Arbeitsumgebung, z. B. extremen Wetterbedingungen, standzuhalten.

Stator

Der Stator enthält die isolierten Wicklungen für die drei Phasen des Motors.

Der elektrische Strom, der durch diese Wicklungen fließt, ist das, was den Rotor zum Drehen bringt.

Der Stator-Kern wird normalerweise aus Eisen hergestellt, um Lastverluste zu reduzieren.

Wärmetauscher

Kühlrippen erhöhen die Oberfläche des Motorgehäuses. Eine größere Oberfläche ermöglicht es, dass Wärme schneller durch den erzwungenen Luftstrom des Ventilators abgeführt wird.

Anschlussklemme

Die dreiphasige Versorgung und das Erdungskabel sind an die Klemmenplatte angeschlossen. Jede der drei Phasen des Motors muss korrekt mit der eingehenden Versorgung verdrahtet werden. Motoren werden entweder in einer Stern- oder Dreiecksschaltung angeschlossen.

Klemmengehäuse

Das Klemmengehäuse schützt die Anschlussplatte und die elektrischen Verbindungen vor Beschädigungen durch Fremdkörper wie Wasser.

Hebelasche

Die Hebelasche ermöglicht das Bewegen des Motors mit einem Hebeband, Seil, Kran, Kettenzug oder Kabel usw. Sie ist erforderlich, wenn der Motor zu groß ist, um nur mit manueller Arbeit bewegt zu werden. Mehrere Hebelaschen können für große Motoren verwendet werden.

Dichtung

Normalerweise aus Gummi oder Karton gefertigt. Die Dichtung wird zwischen die beiden Metalloberflächen ‘gepresst’, um einen abgedichteten Raum zu schaffen. Die Dichtung verhindert, dass Wasser oder Verunreinigungen zwischen den Metalloberflächen und in das Klemmengehäuse eindringen.

Füße/Basis

Das gesamte Gewicht des Motors wird über die Füße auf die Struktur oder den Boden übertragen. Die Basis hat Löcher oder Kanäle, die in sie gebohrt sind, um die Ausrichtung und Befestigung des Motors zu ermöglichen.

Rotorwelle

Die Rotorwelle verbindet den Rotor mit den Lagern, dem Ventilator und der Last. Bei der Installation wird der Rotor manchmal gekühlt und die Lager erhitzt, um eine einfache Montage zu ermöglichen (nur für kleine Motoren).

Rotor

Der Rotorkern besteht aus Stahlblechen. Das Magnetfeld, das durch die Statorwicklungen erzeugt wird, wirkt auf den Rotor und bringt ihn zum Drehen. Der in diesem Beispiel verwendete Rotortyp ist ein Käfigläufer (Käfigläufermotor).

Wellenkeil

Der Wellenkeil ist die einzige Verbindung zwischen der Rotorwelle und der angetriebenen Last, daher ist es unerlässlich, dass der Keil die vollen Lastmerkmale des Motors ohne Ausfall aushalten kann.

Endring

Der Endring wird verwendet, um die Stahlbleche zusammenzudrücken.

Wellenkeilnut

Der Wellenkeil sitzt in dieser Nut.

Staubdichtung

Je nach Design kann in diesem Raum eine Gummistaubdichtung sitzen. Die Dichtung reduziert das Risiko, dass Verunreinigungen in das Motorgehäuse eindringen. Die Dichtung wird zwischen der Rotorwelle und dem Motorenddeckel gepresst.

 

Zusätzliche Ressourcen

https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor

https://www.electrical4u.com/induction-motor-types-of-induction-motor

https://www.elprocus.com/induction-motor-types-advantages