Ratgeber
Elektromotoren sind sozusagen die Arbeitspferde industrieller Anwendungen. Sie setzen elektrische Energie in mechanische Leistung um. In der Antriebstechnik favorisiert sind Motoren für Drehstrom- und Wechselstrom. In diesem Ratgeber machen wir Sie mit den Unterschieden dieser beiden Technologien vertraut und geben Tipps für die Beschaffung.
Ein Drehstrom-System besteht aus drei sinusförmigen Strömen beziehungsweise Spannungen gleicher Frequenz und Amplitude, die um 120 Grad zueinander phasenverschoben sind.
Bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz beträgt die Verzögerung zwischen den Phasen etwa 6 Millisekunden.
Wenn alle drei Leiterströme mit dem gleichen Effektivwert führen, wird das System als symmetrisch bezeichnet.
Im Idealfall ist die Spannung der drei Phasen konstant und unabhängig von der Last, wobei nur der Strom jeder Phase von der Ausgangsleistung abhängig ist. Aufgrund der 120-Grad-Phasenverschiebung liefert ein Drehstrom-Netz mit einer 230-Volt-Effektivspannung zwischen Außenleiter beziehungsweise Phase und Nullleiter eine Spannung von exakt 398,37 Volt.
Wechselstrom, oft mit AC von „Alternating Current“ abgekürzt, ist ein elektrischer Strom, der periodisch die Richtung wechselt und seine Größe kontinuierlich mit der Zeit ändert. Die übliche Wellenform des Wechselstroms in den meisten Stromkreisen ist eine Sinuswelle. Ihre positive Halbperiode entspricht der positiven Richtung des Stroms und umgekehrt. Die Frequenz des europäischen Wechselstromnetzes liegt bei 50 Hertz mit einer Spannung zwischen Außenleiter beziehungsweise Phase von 230 Volt.
Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Die meisten Elektromotoren arbeiten durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Motors und dem elektrischen Strom in einer Drahtwicklung, um Kraft in Form eines Drehmoments zu erzeugen, das auf die Motorwelle wirkt.
Elektromotoren lassen sich durch Gleichstrom- oder Wechselstromquellen betreiben. Ein elektrischer Generator ist mechanisch identisch mit einem Elektromotor, arbeitet aber mit einem umgekehrten Leistungsfluss und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um.
Alle mit Drehstrom- oder Wechselstrom betriebenen Elektromotoren bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten: dem Rotor und dem Stator.
Der Rotor ist der bewegliche Teil in einem Elektromotor. Er dreht die Welle und liefert die mechanische Leistung. Sofern der Rotor keine Permanentmagnete enthält, verfügt er über eine oder mehrere Spulen mit Eisenkernen, den Ankern. Die Spulen interagiert mit dem Magnetfeld des Stators und erzeugen die Drehkräfte.
Der Stator ist der stationäre Teil des elektromagnetischen Motorkreislaufs. Er enthält normalerweise entweder Wicklungen oder Permanentmagnete. Harzgekapselte Motoren, die beispielsweise in Waschmaschinen und Klimaanlagen zu finden sind, nutzen die dämpfenden Eigenschaften von Harz oder Kunststoff, um Geräusche und Vibrationen zu reduzieren.
Drehstrommotoren arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, die der englische Physiker Michael Faraday bereits 1830 entdeckte.
Wird der Stator von einer dreiphasigen elektrischen Energiequelle gespeist, erzeugt jede der drei Spulen ein Magnetfeld, dessen Pole ihre Position ändern, wenn der Wechselstrom einen kompletten Zyklus durchschwingt. Da jede Phase um 120 Grad phasenverschoben ist, sind die magnetischen Polaritäten der Spulen nie gleichzeitig identisch. Der Stator erzeugt daher ein rotierendes Magnetfeld, abgekürzt RMF.
Bei Dreiphasen-Induktionsmotoren versucht der Rotor, die Ausrichtung mit dem RMF des Stators beizubehalten, erreicht sie aber nie, weshalb Induktionsmotoren auch als Asynchronmotoren bezeichnet werden. Synchronmotoren arbeiten ähnlich wie Asynchronmotoren. Ihr Magnetfeld rotiert allerdings im Takt des Netzstroms.
Ein Drehstrommotor lässt sich zwar an einer einphasigen Stromquelle, also mit gewöhnlichem Wechselstrom, betreiben;
er läuft jedoch nicht von selbst an, sondern muss von Hand oder durch elektrische oder mechanische Maßnahmen in eine beliebige Richtung gestartet werden. Außerdem entwickelt ein einphasig betriebener Drehstrommotor nur zwei Drittel der eigentlichen Nennleistung, da eine Wicklung nicht verwendet wird.
Sind keine hohen Leistungen gefordert, bietet sich somit ein Elektromotor für einphasigen Wechselstrom an.
Dessen Komponenten und Funktionen entsprechen – bis auf die nicht vorgegebene Magnetfeldrichtung – prinzipiell einem Drehstrommotor. Dies betrifft auch synchrone und asynchrone Konstruktionen, Wechselstrommotoren gibt es für beide Verfahren.
Entscheidend sind vor allem der Einsatzzweck hinsichtlich der erforderlichen Leistung sowie das Vorhandensein passender Energiequellen. Steht am Einsatzort lediglich Wechselstrom mit 230 Volt zu Verfügung, macht die Beschaffung eines Drehstrommotors wenig Sinn. Lassen sich dagegen Leitungen für Drehstrom nachträglich installieren oder sind bereits vorhanden, ist ein Drehstrommotor einem Wechselstrommotor überlegen. Hinzu kommt, dass viele Ausführungen von Drehstrommotoren standardmäßig auch mit normalem Wechselstrom arbeiten.
Nächstes Kriterium ist die Nenndrehzahl. Sie kennzeichnet die maximale Leistung des Motors, angegeben in Umdrehungen pro Minute. Zahlreiche Motoren sind bereits werksseitig mit einem Getriebe ausgerüstet, das die übliche maximale Drehzahl von knapp 3000 Umdrehungen pro Minute beispielsweise bis auf rund 17 Umdrehungen reduziert.
Im Bereich der Nennleistung reicht die Skala bei Wechselstrommotoren von 180 bis 1500 Watt, bei Drehstrommotoren sogar bis 4000 Watt mit Nennströmen von 400 Milliampere bis über 8 Ampere. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Bauform. Neben Größe und Gewicht kommt es vor allem auf die Montagemöglichkeiten an. Die Form B3 verfügt über Füße zur Sockelmontage, die Form B14 über einen oben liegenden Flansch, beide Ausführungen besitzen in der Regel Gewindebohrungen.
Welchen Umweltbedingungen die Motoren widerstehen, verrät die Schutzart IP. IP55 bedeutet beispielsweise, dass der Motor gegen Strahlwasser aus einem beliebigen Winkel geschützt ist. Das Produkt ist dann unempfindlich gegen Wasserstrahlen ohne großen Druck.
Was bedeuten die Begriffe Axiallast und Radiallast?
Axiallast ist eine Kraft, die in Längsrichtung auf die Antriebswelle des Motors oder des Getriebes wirkt. Eine Überschreitung der zulässigen Axiallast – beispielsweise 620 Newton – führt zu einem vorzeitigen Verschleiß der Lager und des Getriebes oder sogar zu einem mechanischen Ausfall.
Die Radiallast ist dagegen eine Kraft, die auf die Seite der Antriebswelle drückt oder an ihr zieht, zum Beispiel als Ergebnis von Gewicht, Spannung oder übertragenem Drehmoment. Ein Überschreiten der zulässigen Radiallast führt zu einem vorzeitigen Verschleiß der Lager und Zahnräder der Welle und kann zum Bruch führen. Die maximale Radialkraft ist üblicherweise bedeutend höher als die maximal Axiallast, oft um den Faktor 5.