Was ist ein AC-Motor?
Ein AC-Motor ist ein Elektromotor, der von einer Wechselstromquelle angetrieben wird.
AC steht für Wechselstrom, d. h. einen Strom mit einer Frequenz, die im Laufe der Zeit zwischen positiv und negativ wechselt. Eine Stromquelle, die einen solchen Strom liefert, wird als Wechselstromquelle (AC-Stromquelle) bezeichnet.
AC-Motoren bestehen im Wesentlichen aus einem Stator und einem Rotor.
- Stator: eine auf eine elektromagnetische Stahlplatte gewickelte Spule.
- Rotor: ein Rotorkern aus elektromagnetischem Stahlblech mit einem käfigförmigen Leiter aus Aluminium und Spulenwicklungen.
Elektromotoren, die von einer Gleichstromquelle angetrieben werden, nennt man Gleichstrommotoren oder DC-Motoren (englisch: direct current motor).
Anwendungen von AC-Motoren
AC-Motoren werden zum Antrieb von Geräten wie Pumpen, Förderbändern, Rollen und Ventilatoren für den Transport in Fabriken verwendet. Sie werden verwendet, indem das zu drehende Gerät und die Abtriebswelle des Rotors mit einer Vorrichtung, der so genannten Kupplung, verbunden werden.
AC-Motoren sind weit verbreitet, da sie wartungsfreundlicher sind als Gleichstrommotoren, die von einer Gleichstromquelle angetrieben werden und keine Bürsten haben, die verschleißen.
Ursprünglich galten Gleichstrommotoren als einfacher zu handhaben für den drehzahlgeregelten Betrieb, aber jetzt, da Wechselstrommotoren im Allgemeinen auch drehzahlgeregelt werden können, werden sie mehr und mehr eingesetzt.
Funktionsweise von AC-Motoren
Bei AC-Motoren wird eine um 120° phasenverschobene dreiphasige Wechselstromversorgung in die Statorspule eingespeist und der durch die Spule fließende Strom bewirkt, dass das elektromagnetische Stahlblech zu einem Elektromagneten wird und im Motor ein Magnetfeld erzeugt (die Polarität des Elektromagneten wird durch das Rechtsgewindegesetz bestimmt).
Da die Wechselstromversorgung mit der Zeit phasenverschoben wird, dreht sich die Richtung des Magnetfelds mit der Zeit.
Das Prinzip der Erzeugung des magnetischen Drehfelds wird in Abb. 1 veranschaulicht, wo zu sehen ist, dass sich die Richtung des Magnetfelds des Stators ändert, wenn sich die Phasen der U-, V- und W-Phasen des dreiphasigen Wechselstromnetzes ändern.
Das rotierende Magnetfeld erzeugt Wirbelströme im Rotor, und die Wirbelströme und das Magnetfeld erzeugen eine Rotationskraft, die den Rotor in Drehung versetzt. Die Richtung der Drehkraft wird durch die Fleming’sche Linke-Hand-Regel bestimmt.
Dieses Rotationsprinzip entspricht dem Prinzip der Arago’schen Scheibe.
Die Anzahl der Statorpole wird als Polzahl bezeichnet, z. B. 2-polig oder 4-polig. Die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds Ns wird durch die Polzahl p und die Frequenz f der Stromversorgung bestimmt und kann als Ns = 120 f/p berechnet werden.
Die Drehzahl N des Rotors hängt von der Art des Ac-Motors ab, aber Induktionsmotoren drehen sich etwas langsamer als das rotierende Magnetfeld. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem rotierenden Magnetfeld und dem Rotor wird als N=120f(1-s)/p unter Verwendung des Parameters s ausgedrückt, der als ‚Schlupf‘ bezeichnet wird.
Arten von AC-Motoren
AC-Motoren werden grob in Synchron- und Induktionsmotoren unterteilt, können aber auch nach der Art der Wechselstromquelle klassifiziert werden.
- Einphasige AC-Motoren
Sie werden mit 100 V Wechselstrom betrieben, wie er in Haushalten verwendet wird. Motoren, die in Haushaltsgeräten verwendet werden, wie z. B. Waschmaschinenmotoren, werden in diese Kategorie eingestuft. - Dreiphasen-Wechselstrommotoren
Motoren für Pumpen und Förderanlagen, die mit einem dreiphasigen Stromnetz betrieben werden, wie sie in Fabriken eingesetzt werden, fallen in diese Kategorie.
AC-Motoren können auch von Gleichstromquellen angetrieben werden. In diesem Fall wird ein Wechselrichter verwendet, der Gleichstrom in Dreiphasenwechselstrom umwandelt.
1. Synchronmotoren
Synchronmotoren sind Motoren, bei denen kein Schlupf (Synchronisierung) zwischen dem rotierenden Magnetfeld und dem Rotor besteht. Die Drehzahl wird durch die Anzahl der Pole des Motors und die Frequenz der Stromversorgung bestimmt.
Synchronmotoren werden je nach Bauart des Rotors in verschiedene Typen eingeteilt, wobei der relativ häufig verwendete Permanentmagnettyp hier erläutert wird.
Dauermagnet-Synchronmotoren haben Magnete im Rotorkern und drehen sich, wenn sich das Magnetfeld der Magnete mit dem rotierenden Magnetfeld der Stromversorgung synchronisiert.
Magnete, die an der Oberfläche des Rotorkerns befestigt sind, werden als Oberflächen-Permanentmagnete (SPM) bezeichnet, während die im Inneren des Rotorkerns eingebetteten Magnete als Innen-Permanentmagnete (IPM) bezeichnet werden.
2. Induktionsmotoren
Induktionsmotoren werden auch als Induktionsmotoren oder Asynchronmotoren bezeichnet.
Induktionsmotoren zeichnen sich durch eine etwas langsamere Rotordrehzahl als Synchronmotoren aus (die Geschwindigkeit der Stromversorgung und die Rotordrehzahl sind asynchron).
Induktionsmotoren sind im Allgemeinen aus Aluminium oder anderen Leitern in Käfigform aufgebaut, wie in der Abbildung dargestellt.
Das rotierende Magnetfeld der Wechselstromversorgung erzeugt nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion einen induzierten Strom in dem käfigförmigen Leiter, und das Flemingsche Gesetz besagt, dass durch die Wirkung des Stroms und des Magnetfelds eine Kraft erzeugt wird. Diese Kraft versetzt den AC-Motor in Drehung und bewegt die mit der Abtriebswelle verbundene Maschine.