Asynchronmaschinen

In den Artikeln „Umrichter“ und „Umformer“ wurden Maschinen zur Umrichtung bzw. Umformung von Strom, Spannung und Frequenz des bewirtschafteten Versorgungsnetzes vorgestellt, wie sie beispielsweise im deutschen Bahnstromverkehr infolge der Frequenzdifferenz zum öffentlichen Elektrizitätsnetz zur Anwendung kommen. Diese basieren zu einem großen Teil auf dem Prinzip der sogenannten Asynchronmaschine, die im Jahr 1889 vom russischen Elektroingenieur Michail O. Dobrowolski bei der Fa. AEG entwickelt wurde und in diesem Beitrag erläutert werden soll.

Die Asynchronmaschine gehört zu den Drehstrommaschinen, die in ihrer Funktionsweise wie die meisten derartigen Aggregate sowohl als Elektromotor als auch als elektrischer Generator betrieben werden kann und in der Kraftwerkstechnik bzw. der elektrischen Antriebstechnik weit verbreitet ist. Mit dem Begriff Drehstrom wird in der Elektrotechnik ein dreiphasiger Wechselstrom bezeichnet, der als eine Form des Mehrphasenwechselstroms aus drei einzelnen Wechselströmen gleicher Frequenz besteht, welche in ihren Phasenwinkeln zueinander um jeweils 120° verschoben sind. Die Drehstrom-Asynchronmaschine wandelt als Motor nun Strom in mechanische Energie um, während diese als Generator in umgekehrter Richtung mechanische Energie in Strom umwandelt. Ausschlaggebend dabei ist, ob der Rotor dem Drehfeld des Stators vor- oder aber nachläuft. Asynchronmaschinen arbeiten nach dem Induktionsprinzip und werden daher auch als Induktionsmaschinen bezeichnet.

Die heutzutage verbauten Elektromotoren sind in der Regel Asynchronmotoren. Daher soll in diesem Beitrag vornehmlich auf die Bauweise einer Asynchronmaschine als E-Motor eingegangen werden. Die primären Bauelemente eines jeden Motors sind der auch als Läufer bezeichnete bewegliche Rotor und der fixe Stator, der aus mehreren (zum Beispiel drei oder sechs) Spulen besteht. An letztere wird nun ein Drehstrom angelegt, so dass ein magnetisches (Dreh-)Feld entsteht. Ein Asynchronmotor kann grundsätzlich in zwei unterschiedlichen Varianten gebaut werden: Entweder mit einem sogenannten Kurzschluss- bzw. Käfigläufer oder mit einem sogenannten Schleifringläufer als Rotor. Die erste Bauart arbeitet mit einem ständig kurzgeschlossenen Läufer, während der Schleifringmotor nur bei Bedarf und damit temporär kurzgeschlossen wird. Dazu werden im ersten Fall die Leiterstäbe aus Metallen wie Aluminium oder Kupfer an den Enden über einen Leitring miteinander verbunden, während Schleifringe nur zeitweise über entsprechende Schalter mit Widerständen beaufschlagt werden, um die Drehzahl und das Drehmoment des Rotors zu steuern.

Beim asynchron konstruierten Elektromotor läuft nun der Rotor dem Stator nach, besitzt diesem gegenüber also eine geringere Drehzahl. Im umgekehrt funktionierenden Generatorbetrieb ist entsprechend die Rotordrehzahl größer als die Drehzahl des Drehfeldes. Durch die unterschiedlichen Drehzahlbereiche beider Anlagenteile kommt es ungeachtet vom Vorzeichen der resultierenden Drehzahldifferenz zu einem magnetischen Fluss, durch den gemäß des Induktionsprinzips eine Spannung induziert wird, die wiederum einen Strom hervorruft. Der Rotor erzeugt so ein eigenes magnetisches Drehfeld, das mit jenem des Stators in Wechselwirkung geht, so das hierdurch sowie durch die Lorentzkraft ein auf den Rotor wirkendes Drehmoment resultiert.

Im Vergleich zum herkömmlichen Drehstrommotor ist der Asynchronmotor robuster, einfach vom Aufbau, wartungsärmer (da ohne Bürsten) und eignet sich für den Einsatz im Hochleistungsbereich, zum Beispiel als Antriebsmotor in Eisenbahnen. Das Wort asynchron (= nicht synchron) rührt daher, dass zwischen den Drehzahlen von Läufer und Stator der Maschine keine zeitliche Synchronität und damit ein sogenannter Schlupf als Maß für die Änderung der Rotordrehzahl besteht, der sich je nach Konstruktion (Motor oder Generator) als Vor- oder Nachlauf eines der beiden Bauteile äußert. Ohne eine solche asynchrone Drehzahl könnte kein Drehmoment entstehen, das die Grundvoraussetzung für die Umwandlung der Maschine von mechanischer in elektrische Energie oder umgekehrt ist. Im nächsten Artikel soll in diesem Zusammenhang die Synchronmaschine angesprochen werden, bei der entsprechend die Drehzahl des Rotors mit der des Stators, also des zugrundeliegenden magnetischen Drehfeldes übereinstimmt.