Stromverdrängungsläufer

Der Stromverdrängungsläufer ist eine Sonderbauform des Käfigläufers, er wird in Drehstromasynchronmotoren eingebaut. Durch ihre spezielle Bauweise haben Drehstrommotoren mit Stromverdrängungsläufer bessere Anlaufeigenschaften als andere Kurzschlussläufermotoren. Aufgrund ihrer positiven Anlaufeigenschaften werden sie vorwiegend in Drehstrommotoren mit mittlerer Leistung eingebaut.

Grundlagen

Beim Anlauf eines Drehstromasynchronmotors sollte der Anlaufstrom niedrig, jedoch das Anlaufmoment hoch sein. Damit der Anlaufstrom niedrig ist, muss der Wirkwiderstand des Läufers groß sein. Ein großes Anlaufmoment erreicht man, wenn die Phasenverschiebung zwischen Läuferstrom und Läuferspannung gering ist. Dafür muss der Rotor so konstruiert sein, dass der Wirkwiderstand der Rotorwicklung sehr viel größer als ihr Blindwiderstand ist. Ein hoher Läuferwirkwiderstand hat aber nach dem Hochlaufen des Motors zur Folge, dass sich der Schlupf vergrößert. Gleichzeitig verschlechtert sich dadurch der Wirkungsgrad des Motors.

Nach dem Hochlaufen verringert sich die Läuferfrequenz und damit auch der induktive Blindwiderstand des Läufers gemäß der Gleichung , wobei die (Gegen-)Induktivität des Läufers ist. Somit kommt nur noch der Wirkwiderstandsanteil zum Tragen. Damit die beschriebenen Nachteile (großer Schlupf, schlechter Wirkungsgrad) nicht auftreten, muss nach dem Hochlaufen auch der Wirkwiderstand kleiner werden. Die geforderten Eigenschaften werden weder von Rundstabläufern (Kurzschlussläufer), noch von einem Widerstandsläufer erbracht.

Aufbau und Wirkungsweise

Stromverdrängung bei Doppelstabnut

Stromverdrängung bei Hochstabnut

Damit ein Läufer im Anlauf einen hohen Wirkwiderstand hat, der nach dem Hochlaufen wieder klein wird, muss er eine spezielle Konstruktion haben. Die meisten Standardmotoren haben einen Doppelstabläufer. Hierzu ordnet man in den Läufernuten jeweils zwei miteinander elektrisch leitend verbundene (entweder direkt oder an den Stirnseiten) Läuferstäbe übereinander an, durch welche dann im Betrieb ein Wechselstrom fließt. Beim Anlauf hat dieser Strom, aufgrund der hohen Läuferfrequenz, ebenfalls eine hohe Frequenz.

Dieser durch das Ständerdrehfeld induzierte Läuferstrom erzeugt um jeden Läuferstab ein magnetisches Streufeld, welches sehr inhomogen ist. Die beiden Streufelder wirken im Wechselstromkreis des Läufers wie induktive Blindwiderstände und induzieren in den jeweiligen Läuferstäben elektrische Spannungen. Diese Spannungen sind gemäß der Lenzschen Regel bestrebt, die sie verursachenden Wechselströme in jedem Läuferstab zu verringern.

Um den unteren Läuferstab ist das magnetische Wechselfeld stärker, da die magnetischen Feldlinien zum einen einen kürzeren Luftweg haben und sie sich zum anderen im Eisenpaket schließen können. Die vom Wechselfeld induzierte Gegenspannung, somit die stromverringernde Wirkung der induzierten Spannung, ist dadurch im unteren Läuferstab größer als im oberen Läuferstab. Aufgrund der für Drehstromasynchronmaschinen typischen halbgeschlossenen Eisennut wird der Strom dadurch zur Nutöffnung, somit in Richtung Läuferaußenrand, also zum Luftspalt (Skineffekt) verdrängt.

Daher steht dem Stromverdrängungsläufer beim Anlauf fast nur der kleinere Nutquerschnitt des oberen Läuferstabes zur Verfügung. Dies hat zur Folge, dass der Stromfluss im unteren Läuferstab sehr viel geringer ist als im oberen Läuferstab. Am Außenrand des Läufers ist die magnetische Flussdichte geringer als innen. Aufgrund des inhomogenen Streufeldes ist auch der Blindwiderstand X_L nicht über den gesamten Querschnitt der Läuferstäbe gleich. Er nimmt vom Läuferrand zur Läufermitte stark zu, deshalb fließt beim Anlauf des Motors der Läuferstrom fast nur im oberen Teil des Läuferstabes.

Durch die Stromdichte im Läuferstab und dem großen Nutwiderstand hat der Stromverdrängungsläufer beim Anlaufen einen großen Widerstand und der Anlaufstrom wird deshalb kleiner. Bedingt durch den großen Wirkwiderstand des Läufers kommt es zu einer geringeren Phasenverschiebung im Läuferstromkreis. Aus diesem Grund hat der Stromverdrängungsläufer ein größeres Anlaufmoment als der Rundstabläufer.

Beim Hochlaufen wird die Läuferfrequenz kleiner und der Streufluss nimmt ab; dadurch verringert sich die Stromverdrängung. Im Nennbetrieb kann der Strom wieder den ganzen Nutquerschnitt beider Läuferstäbe nutzen. Dadurch verringert sich der Wirkwiderstand des Rotors sehr stark, was einen kleineren Kippschlupf zur Folge hat. Die Rotorverluste sind nun gering, was einen guten Wirkungsgrad ergibt. Somit kann eine gute Leistungsabgabe erzielt werden. Der Motor läuft durch seine steile Kennlinie auf einer hohen Nenndrehzahl und hat nun auch einen geringeren Schlupf. Diese Wirkung lässt sich auch mit anderen Nutformen erzielen.

Nutenformen
(➀ konventionelle Rundstabnut
➁ Hochstabnut
➂ Keilstabnut
➃ Doppelnut
➄ Doppelstabnut
➅ Tropfenstabnut)

Nutformen

Es gibt folgende Nutformen Hochstabnut, Keilstabnut, Doppelnut, Doppelstabnut, Tropfenstabnut, außerdem eine Vielzahl von Kombinationen. Entsprechend ihrer Nutform werden die Läufer als Keilstabläufer, Tropfenstabläufer, Hochstabläufer, Doppelnutläufer oder Hochnutläufer bezeichnet. Bei kleineren Motoren bis Achshöhe 315 werden Pressgussrotoren verwendet, welche eine relativ freie Gestaltungsmöglichkeit für die Läufer-Nutform bieten. Bei größeren Motoren (Achshöhe > 315) werden Tiefnuten oder Doppelkäfige eingesetzt, um einen ausgeglichenen Motorkennlinienverlauf zu erreichen.

Durch die Form der Nuten kann die Größe der Stromverdrängung beeinflusst werden. Gleichzeitig nimmt man dadurch Einfluss auf die Größe des Läuferwiderstandes. Durch eine entsprechende Konstruktion des Rotorkäfigs lässt sich die Streuung minimieren und das Kippmoment erhöhen. Dadurch kann der Motor kurzzeitig ein Mehrfaches seines Nennmoments abgeben. Es entfällt dadurch die in bestimmten Anwendungsfällen notwendige Überdimensionierung des Motors.

Eine spezielle Bauform des Stromverdrängungsläufers ist der Doppelkäfiganker-Rotor. Hierbei werden jeweils zwei Einzelstäbe übereinander angeordnet, die voneinander galvanisch getrennt sind. Der Motor besteht somit aus zwei Käfigen, einem Außenkäfig und einem Innenkäfig. Durch entsprechende Materialwahl (Kupfer, Aluminium, Messing) und Dimensionierung der Leiterquerschnitte haben die Käfige unterschiedliche Widerstände.

Der Innenkäfig wird so konstruiert, dass er einen kleinen elektrischen Widerstand hat und der Außenkäfig erhält einen hohen elektrischen Widerstand. Durch diese Konstruktionsweise ist der Effekt noch ausgeprägter als beim einfachen Stromverdrängungsanker. Wenn der Motor anläuft, fließt der Strom fast nur im hochohmigen Außenkäfig. Dadurch wird der Anlaufstrom stark reduziert und das Anlaufmoment erhöht. Nach dem Hochlauf verteilt sich der Strom auf beide Käfige entsprechend ihrer Wirkwiderstände. Der niederohmige Innenkäfig bestimmt nun das Betriebsverhalten des Motors.

Betriebsverhalten

Kennlinie für Drehmoment und Drehzahl:
➀ Rundstabnut
➁ Hochstabnut
➂ Keilstabnut
➃ Doppelnut
➄ Doppelstabnut
➅ Tropfenstabnut

Die Form der Nuten hat wesentlichen Einfluss auf das Anlaufverhalten des Motors. Abhängig von der Nutform des Läufers ergeben sich unterschiedliche Hochlaufkurven des Motors. Allerdings sagt die jeweilige Läuferbezeichnung (Doppelstabläufer, Doppelnutläufer etc.) nur wenig über die genaue Form der entsprechenden Hochlaufkurve aus.

Bei Drehstromasynchronmotoren mit Stromverdrängungsläufer ist das Anlaufdrehmoment circa 1,5 bis dreimal so groß wie das Nennmoment. Durch den erhöhten Läuferwiderstand verschiebt sich das Kippmoment hin zu niedrigen Drehzahlen. Das Kippmoment ist bei Stromverdrängungsläufern etwa zwei- bis dreimal so hoch wie das Nennmoment. Das Drehmoment im Arbeitsbereich entspricht bei Nennfrequenz etwa der Hälfte des Kippmoments. Der Anlaufstrom ist etwa dreimal so hoch wie der Nennstrom, deshalb müssen auch größere Motoren mit Stromverdrängungsläufer mittels besonderer Anlassverfahren angelassen werden.

Durch den großen Nutquerschnitt haben Stromverdrängungsläufer eine größere Streuung als Rundstabläufer. Dadurch haben sie einen etwas schlechteren Wirkungsgrad und einen niedrigeren Leistungsfaktor als Motoren mit Rundstabläufer. Für den Betrieb mit Frequenzumrichtern sind Stromverdrängungsläufer schlechter geeignet als Rundstabläufer. Trotzdem haben Drehstromasynchronmotoren mit Stromverdrängungsläufer wesentlich bessere Anlaufeigenschaften als Motoren mit Rundstabläufer.

Vor- und Nachteile

• wartungsarm
• gute Anlaufeigenschaften
• hohes Anzugsmoment
• niedrigerer Anlaufstrom als Rundstabläufer
• hohes Kippmoment

• schlechterer Wirkungsgrad als Rundstabläufer
• schlecht geeignet für den Betrieb mit Frequenzumrichter
• niedriger Leistungsfaktor

Einsatzbereiche

Stromverdrängungsläufer werden in Drehstromasynchronmotoren eingesetzt, wenn über einen weiten Bereich vom Elektromotor eine konstante Leistung benötigt wird. Insbesondere im kleinen und mittleren Leistungsbereich, dort, wo der Einsatz von Schleifringläufermotoren nicht sinnvoll ist, haben Drehstromasynchronmotoren mit Stromverdrängungsläufer immer einen großen Vorteil gegenüber Drehstromasynchronmotoren mit Rundstabläufer.

Einsatzbeispiele

• Spanabhebende Bearbeitung
• Zentrumswickler
• Traktionsfahrzeuge

Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke

• EN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen
• EN 60 034 Teil 8 Anschlussbezeichnungen und Drehsinn für elektrische Maschinen
• DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufende elektrische Maschinen
• EN 60034-5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen
• EN 60034-6 Kühlarten, drehende elektrische Maschinen

Einzelnachweise

1. Wilhelm Hille, Otto Schneider: Fachkunde für Elektroberufe. 7. überarbeitete Auflage. mit 404 teils mehrfarbigen Bildern, 25 Tafeln, 102 Versuchen, 100 Beispielen und 366 Übungsaufgaben, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 1983, ISBN 978-3-519-46800-4, S. 242, 243.
2. Adolf Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965, S. 194, 195.
3. Wilhelm Lehmann: Die Elektrotechnik und die elektromotorischen Antriebe. Lehrbuch für technische Lehranstalten und zum Selbststudium. Mit 828 Textabbildungen und 128 Beispielen, dritte verbesserte Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg GmbH, Berlin 1945, S. 128, 136, 216, 217.
4. Klaus Tkotz, Peter Bastian, Horst Bumiller u. a.: Fachkunde Elektrotechnik. 27., überarbeitete und erweiterte Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel Nourney Vollmer, Haan-Gruiten 2009, ISBN 978-3-8085-3188-4, S. 445, 446.
5. W. Schuisky: Elektromotoren. Ihre Eigenschaften und ihre Verwendung für Antriebe. Mit 384 Textabbildungen, Springer Verlag Wien, Wien 1951, S. 109–118.
6. Reinhard Mansius: Praxishandbuch Antriebsauslegung. Grundlagen - Tools - Beispiele. 2. überarbeitete und erweiterte Auflage. Vogel Business Media, Würzburg 2017, ISBN 978-3-8343-3406-0, S. 19, 20.
7. Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 12. Auflage. Mit 448 Bildern, Carl Hanser Verlag, München / Wien 2004, ISBN 3-446-22693-1, S. 251, 252.
8. Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1. Auflage. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4, S. 115–117.
9. Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9, S. 284, 285.
10. Hanskarl Eckardt: Grundzüge der elektrischen Maschinen. Mit 216 Bildern und 30 Beispielen. B. G. Teubner, Stuttgart 1982, ISBN 3-519-06113-9, S. 149–151.
11. Franz Moeller, Paul Vaske (Hrsg.): Elektrische Maschinen und Umformer. Teil 1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten, 11. überarbeitete Auflage, mit 256 teils farbigen Abbildungen, B. G. Teubner, Stuttgart 1970, S. 127, 135–137.
12. Detlev Roseburg: Elektrische Maschinen und Antriebe. Eine Einführung für Ingenieure und Wirtschaftsingenieure. Mit 366 Bildern, 35 Tabellen und 117 Beispielen, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, Leipzig 1999, ISBN 3-446-21004-0, S. 70, 160, 161.
13. Pierre Köhring: Beitrag zur Berechnung der Stromverdrängung in Niederspannungsasynchronmaschinen mit Kurzschlussläufern mittlerer bis großer Leistung. Dissertation an der Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Freiberg 2009, S. 1, 2, 4–6, 38, 39.
14. Stefan Pendl: Optimierung einer Schneideinheit für einen Leisehäcksler. Diplomarbeit an der Hochschule Mittweida. Mittweida 2014, S. 16–19.
15. Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage. Vogel Buchverlag, Würzburg 1983, ISBN 3-8023-0725-9, S. 117, 120.
16. H. Greiner: Anlauf und elektrodynamische Auslaufbremsung bei Käfigläufermotoren. Online (PDF; 9,1 MB) Danfoss Bauer GmbH; abgerufen am 18. Juli 2016.
17. Paul Vaske, Johann Heinrich Riggert: Elektrische Maschinen und Umformer. Teil 2 Berechnung elektrischer Maschinen, 8. überarbeitete Auflage, mit 108 Bildern und 17 Beispielen, B. G. Teubner, Stuttgart 1974, ISBN 3-519-16402-7, S. 92–94.
18. Torsten Epskamp: Steigerung der Leistungsdichte von Traktionsantrieben und Aufbau einer hochdrehenden Asynchronmaschine. Dissertation an der KIT-Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Karlsruhe 2020, S. 28, 105–107.
19. Seifert, Thomas Fladerer: (Memento vom 31. März 2007 im Internet Archive) (PDF)
20. Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften: Elektrische Antriebe - Effizient bewegen und fördern. Fachhochschule Nordwestschweiz. Zürich 2005, ISBN 978-3-905711-32-5, S. 54.

Anmerkungen

1. Bei Schleifringläufermotoren erfolgt die Widerstandserhöhung des Läuferwiderstandes durch das Zuschalten von externen Widerständen. Diese Vorgehensweise ist bei Motoren mit Käfigläufer jedoch nicht möglich, sodass hier Veränderungen der Konstruktion des Läufers erfolgen müssen. (Quelle: W. Schuisky: Elektromotoren. )
2. Das Kippmoment ist das maximale Drehmoment, welches ein Asynchronmotor abgeben kann. Muss der Motor ein höheres Drehmoment als das Kippmoment erbringen, so bleibt er stehen. Das Kippmoment wird bei ungefähr 85 Prozent der synchronen Drehzahl erreicht. (Quelle: Stefan Hesse: Lexikon der elektrischen Antriebstechnik.) Es beträgt etwa das 1,6- bis 2,5-fache des Nennmoments. (Quelle: Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik.)
3. Maschinen und deren Bauteile z. B. die Lager müssen, je nach Beanspruchung in bestimmten Abständen gewartet werden. Je nachdem, wie oft die Wartung erfolgen muss, unterscheidet man zwischen wartungsfreien, wartungsarmen und wartungspflichtigen Maschinenteilen. Wartungsarm bedeutet hierbei, dass das jeweilige Maschinenteil (z. B. Gleitlager) in regelmäßigen Abständen nach einer vom Hersteller fest vorgegebenen und in Wartungsplänen vorgegebenen Anzahl an Betriebsstunden intervallmäßig gewartet bzw. gepflegt werden muss. (Quelle: Christian Stentzel: Entwicklung wartungsfreier und rein elastisch beanspruchter Gleitlager auf Basis keramischer Werkstoffe. Dissertation an der Technischen Universität Dresden. S. 4..)