Kurzschlussläufer
Kurzschlussläufer oder Käfigläufer werden diejenigen Rotoren bzw. Läufer von Asynchronmaschinen genannt, die im Blechpaket dauernd kurzgeschlossene massive Windungen in der Form eines Käfigs besitzen.<ref name= "Quelle 1" /> Alternativ hierzu gibt es die aus Draht gewickelten, über Schleifringe angeschlossenen, Wicklungen der Schleifringläufermotoren.<ref name="Quelle 6" /> Der Kurzschlussläufer wurde 1889 von Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski nach Vorarbeiten von Galileo Ferraris entwickelt. Bereits zu Beginn der 1890er Jahre wurden bei der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft (AEG) Kurzschlussläufer gebaut und in Asynchronmotoren eingesetzt.<ref name="Quelle 0" />
Aufbau
Der Kurzschlussläufer ist wesentlich einfacher aufgebaut als der Läufer des Schleifringläufermotors. Der Läufer besteht aus einem Eisenblechpaket, in das Metallstäbe aus gut leitenden Metallen eingebettet sind.<ref name= "Quelle 2" /> Das Eisenblechpaket besteht aus 0,5 Millimeter dicken, gegenseitig isolierten Blechen, in die zur Aufnahme der Läuferstäbe Nuten eingestanzt sind. Die Bleche für Läufer kleinerer Maschinen werden im Komplettschnitt-, die Bleche von größeren Läufern werden im Hackschnittverfahren hergestellt.<ref name= "Quelle 4" />
Die Läuferstäbe sind mit beidseitigen metallenen Kurzschlussringen versehen.<ref name= "Quelle 5" /> Für Motoren mit kleinerer Leistung bis etwa 100 Kilowatt wird der Käfig aus Aluminium-Druckguss hergestellt und in entsprechende Aussparungen des Eisenblechpakets (Nuten oder Löcher) eingepasst. Effizientere Motoren kleinerer Leistung (siehe auch Effizienz von Elektromotoren) verwenden anstelle des Aluminiums Kupfer, das aufgrund des geringeren spezifischen Widerstandes im Betrieb weniger Verluste, jedoch einen höheren Anlaufstrom verursacht. Bei großen Leistungen wird der Käfig im Eisenblechpaket des Rotors aus Kupfer-, Messing- oder Bronzestäben aufgebaut, die beiderseits in außenliegende Kurzschlussringe zum Beispiel aus dem gleichen Material eingelötet werden.<ref name= "Quelle 2" /> Sind die Läuferstäbe Rundstäbe, spricht man auch vom Rundstabläufer.<ref name="Quelle 15" />
Die Nuten für den Käfigläufer sind in der Regel etwas verwunden, d. h. sie liegen nicht parallel zur Welle. Dadurch erhalten die Läuferstäbe des Käfigs eine einfache oder doppelte Schränkung. Käfige mit doppelt geschränkten Läuferstäben nennt man auch Staffelläufer. Durch das Schränken der Läuferstäbe erzielt man günstigere Anlaufbedingungen, da ein Rastmoment vermieden wird. Es wird weiterhin das Nutenpfeifen vermindert, welches durch inhomogenes Drehmoment und induktive Rückwirkungen entsteht.<ref name= "Quelle 3" />
Bei Kurzschlussläufern ist die Nutenzahl im Läufer-Blechpaket stets abweichend von der Nutenzahl des Ständers, sie kann entweder größer oder kleiner sein. In der Regel hat der Kurzschlussläufer eine kleinere Nutenzahl als der Ständer.<ref name= "Quelle 4" /> Zum einen dient die unterschiedliche Nutenzahl zur Vermeidung eines Sattelmoments, das heißt, eines Sattels in der Drehmoment/Drehzahl-Kurve.<ref name= "Quelle 3" /> Läufer mit geeigneten Nutenzahlen können dann auch für Motoren mit unterschiedlichen Polpaarzahlen verwendet werden.<ref name= "Quelle 4" /> Werden für den Läuferkäfig Legierungen mit höherem Widerstand (Messing, Bronze) verwendet, haben die Motoren einen erhöhten Schlupf, laufen jedoch besser an. Die Läufer werden auch Widerstandsläufer oder Schlupfläufer genannt.<ref name="Quelle 8" />
Der Dämpferkäfig (Dämpferwicklung) einer Synchronmaschine ähnelt im Aufbau dem Kurzschlussläufer.<ref name="Quelle 13" /> Eine besondere Bauart des Käfigläufers ist der Stromverdrängungsläufer.<ref name= "Quelle 1" /> Bei diesen Motoren werden für den Läuferkäfig speziell geformte Läuferstäbe verwendet, die bewirken, dass der Anlaufstrom des Motors reduziert und das Anlaufmoment erhöht wird.<ref name="Quelle 12" /> Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, wurden spezielle Rotoren mit Läuferstäben aus Kupfer entwickelt und seit dem Jahr 2003 auch in Motoren verwendet.<ref name="Quelle 7" /> Motoren mit diesen Rotoren haben ein etwa 21 Prozent höheres Drehmoment als Motoren mit Rotoren aus herkömmlichen Materialien.<ref name="Quelle 14" /> Die so aufgebauten Rotoren werden Kupferrotoren genannt.<ref name="Quelle 7" />
Wirkungsweise
Durch das magnetische Drehfeld der Stator-Spulen wird in dem Metallkäfig eine Läuferspannung induziert. Aufgrund der untereinander kurzgeschlossenen Metallstäbe fließen in den Läuferstäben entsprechende Läuferströme, die ein eigenes Magnetfeld erzeugen.<ref name= "Quelle 5" /> Die Ströme des Läufers ändern sich sinusförmig, sie bilden im Zeigerdiagramm einen Polygonzug.<ref name= "Quelle 4" /> Die Verkopplung des Stator-Drehfeldes mit dem Käfigläufer-Feld führt zur Drehbewegung des Rotors. Bei steigender Drehzahl sinken sowohl die induzierte Läuferspannung als auch der Läuferstrom. Außerdem verringert sich der Läuferblindwiderstand, was zur Folge hat, dass die Phasenverschiebung zwischen Läuferspannung und Läuferstrom kleiner wird.<ref name= "Quelle 5" />
Betriebsverhalten
Motoren mit Kurzschlussläufer verhalten sich im Betrieb wie kurzgeschlossene Schleifringläufermotoren. Aufgrund der Rundstäbe haben sie einen großen Anzugsstrom und ein kleineres Anzugsmoment.<ref name= "Quelle 1" /> Das ungünstige Anzugsmoment ist bedingt durch den geringen ohmschen Widerstand der Läuferstäbe. Bei etwa 1/7 der synchronen Drehzahl kommt es oftmals zu einer Einbuchtung der Kennlinie. Dieser Sattel wird durch Oberwellen verursacht. Erreicht dann der Motor nicht das erforderliche Hochlaufmoment, kann es vorkommen, dass der Rotor bei dieser Drehzahl festgehalten wird und nicht weiter auf seine Nenndrehzahl hochläuft.<ref name= "Quelle 3" /> Sobald der Läufer auf Nenndrehzahl ist, sinkt die Drehzahl bei Belastung nur wenig. Der Motor zeigt ein Nebenschlussverhalten.<ref name= "Quelle 5" /> Da Drehstrommotoren mit Kurzschlussläufer für bestimmte Anwendungen einen zu großen Anlaufstrom abnehmen oder ein zu hohes Anlaufmoment besitzen, verwendet man dort, wo ein sanfterer Anlauf erforderlich ist, die KUSA-Schaltung.<ref name="Quelle 10" /> Der Anzugsstrom bei Motoren mit Rundstabläufer beträgt das Acht- bis Zehnfache des Nennstroms.<ref name= "Quelle 1" /> Der Läuferstrom lässt sich aufgrund der Bauweise des Läufers während des Betriebes nicht verändern.<ref name="Quelle 11" /> Drehstromasynchronmotoren mit Kurzschlussläufer können unter bestimmten Voraussetzungen als Asynchrongenerator arbeiten.<ref name= "Quelle 1" />
Literatur
- Detlev Roseburg: Elektrische Maschinen und Antriebe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 1999, ISBN 3-446-21004-0.
- Dierk Schröder: Elektrische Antriebe-Grundlagen. 3. Auflage, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 2007, ISBN 978-3-540-72764-4.
Einzelnachweise
<references> <ref name="Quelle 0">Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14. Auflage, Carl Hanser Verlag, München und Wien, 2009, Seite 170, ISBN 978-3-446-41754-0</ref> <ref name="Quelle 1">A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965.</ref> <ref name="Quelle 2">Franz Moeller, Paul Vaske (Hrsg.): Elektrische Maschinen und Umformer. Teil 1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten, 11. überarbeitete Auflage, B. G. Teubner, Stuttgart 1970.</ref> <ref name="Quelle 3">Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9.</ref> <ref name="Quelle 4">Hanskarl Eckardt: Grundzüge der elektrischen Maschinen. B. G. Teubner, Stuttgart 1982, ISBN 3-519-06113-9.</ref> <ref name="Quelle 5">Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9.</ref> <ref name="Quelle 6">Meike Sophie Anna Braun: Entwicklung, Analyse und Evaluation von Modellen zur Ermittlung des Energiebedarfs von Regalbediengeräten. Doktorarbeit an der KIT-Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie, Karlsruhe 2016, S. 86–89.</ref> <ref name="Quelle 7">S. Faßbinder, L. Tikana, A. Klassert: Eine runde Sache Kupferrotoren. In: Metall. 62. Jahrgang, Nr. 10, 2008, S. 629, 630, Online (abgerufen am 30. Mai 2016).</ref> <ref name="Quelle 8">Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4.</ref> <ref name="Quelle 10">FANAL Schaltungspraxis. 7. Auflage, Metzenauer & Jung GmbH, Wuppertal.</ref> <ref name="Quelle 11">Der Drehstrom-Asynchronmotor am Netz. (abgerufen per Webarchiv am 4. März 2022).</ref> <ref name="Quelle 12">Urs Bikle: Die Auslegung lagerloser Induktionsmaschinen. Doctoral Thesis an der eidgenössischen technischen Hochschule Zürich, ETH Nr. 13180, Zürich 1999, S. 61–64.</ref> <ref name="Quelle 13">Dirk Berschin: Entwicklung der Spannungsregelung eines Gleichstromgenerators als Ersatz für den Lithium-Ionen Akkumulator eines Elektrorennfahrzeuges. Bachelorarbeit an der Fakultät Elektro- und Informationstechnik der Hochschule Mittweida, Mittweida 2013, S. 2–6.</ref> <ref name="Quelle 14">Torsten Epskamp: Steigerung der Leistungsdichte von Traktionsantrieben und Aufbau einer hochdrehenden Asynchronmaschine. Doktorarbeit an der KIT-Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie, Karlsruhe 2020, S. 71–73.</ref> <ref name="Quelle 15">Stephan Fiebig: Analytische Modelle der Asynchronmaschine unter Berücksichtigung der Stromverdrängung in den Stäben des Kurzschlusskäfigs . Doktorarbeit am Fachbereich Elektrotechnik der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Hamburg 2006, S. 10, 11, 35, 119.</ref>
</references>
Weblinks
- Löten von Kurzschlussläufern (abgerufen am 23. Februar 2012; PDF; 284 kB)