Mit der zunehmenden Verbreitung von Frequenzumrichtern ließ sich das Anlaufproblem von Motoren leicht lösen, aber bei herkömmlichen Stromversorgungen ist das Anlaufen von Motoren weiterhin problematisch.KäfigläuferAsynchronmotoren stellen seit jeher ein Problem dar. Die Analyse ihres Anlauf- und Betriebsverhaltens zeigt, dass zur Erhöhung des Anlaufdrehmoments und zur Reduzierung des Anlaufstroms ein höherer Rotorwiderstand erforderlich ist; im Betrieb hingegen muss der Rotorwiderstand verringert werden, um die Kupferverluste im Rotor zu minimieren und den Wirkungsgrad zu verbessern – ein offensichtlicher Widerspruch.
Bei Schleifringläufermotoren ist diese Anforderung gut erfüllt, da der Widerstand beim Anlauf in Reihe geschaltet und im Betrieb wieder entfernt werden kann. Allerdings weisen Schleifringläufer-Asynchronmotoren eine komplexe Struktur, hohe Kosten und einen aufwendigen Wartungsaufwand auf, was ihren Einsatzbereich einschränkt. Dies veranlasste das Unternehmen, die Rotornutform des Kurzschlussläufermotors genauer zu betrachten.AsynchronmotorMan versucht, den „Skin-Effekt“ zu nutzen, um einen hohen Anlaufwiderstand und einen geringen Betriebswiderstand zu erzielen. Motoren mit tiefen Nuten und Doppelkäfigläufer weisen diese Anlaufeigenschaften auf. Heute sprechen wir über Motoren mit tiefen Nuten.
Asynchronmotor mit tiefer Nut
Um den Skin-Effekt zu verstärken, ist die Nutform des Tiefnutrotors eines Asynchronmotors tief und schmal, wobei das Verhältnis von Nuttiefe zu Nutbreite im Bereich von 10–12 liegt. Beim Stromfluss durch die Rotorstäbe ist der Streufluss an der Stabunterseite deutlich größer als der Streufluss an der Nutöffnung. Betrachtet man die Stäbe als eine Vielzahl parallelgeschalteter, kleiner Leiter entlang der Nuthöhe, so weisen die Leiter in der Nähe der Nutunterseite eine größere Streureaktanz auf, während die Streureaktanz mit zunehmender Nähe zur Nutöffnung abnimmt.
Da die Rotorstromfrequenz zu Beginn hoch und die Streureaktanz groß ist, hängt die Stromverteilung in den einzelnen Leitern von der Streureaktanz ab. Je größer die Streureaktanz, desto kleiner der Streustrom. Unter dem Einfluss des gleichen, durch den Hauptmagnetfluss im Luftspalt induzierten Potentials ist die Stromdichte nahe dem Nutgrund in den Stäben sehr gering, während sie mit zunehmender Nähe zur Nutöffnung steigt.
Aufgrund des Skin-Effekts wird der Strom größtenteils in den oberen Bereich des Leiters geleitet. Dadurch ist die Bedeutung des Leiters am Nutgrund sehr gering, was einer Verringerung von Höhe und Querschnitt des Leiters entspricht. Der Rotorwiderstand steigt und erfüllt somit die Anforderung eines hohen Anlaufwiderstands. Im Anlauf- und Normalbetrieb ist aufgrund der niedrigen Frequenz des Rotorstroms die Streureaktanz der Rotorwicklung deutlich kleiner als der Rotorwiderstand. Daher wird die Stromverteilung in den genannten dünnen Leitern hauptsächlich durch den Widerstand bestimmt.
Da der Widerstand jedes einzelnen Leiters gleich ist, verteilt sich der Strom im Leiterbogen gleichmäßig. Dadurch verschwindet der Skin-Effekt praktisch, und der Widerstand des Rotorleiterbogens sinkt wieder, bis er sich dem Gleichstromwiderstand annähert. Im Normalbetrieb verringert sich der Rotorwiderstand somit automatisch, wodurch die Kupferverluste reduziert und der Wirkungsgrad verbessert werden.
Was ist der Hauteffekt?
Der Skin-Effekt wird auch als Oberflächeneffekt bezeichnet. Wenn Wechselstrom durch einen Leiter fließt, konzentriert sich der Strom an der Oberfläche des Leiters. Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bezeichnet. Bei der Leitung von Strom oder Spannung in einem Leiter mit höherer Frequenz sammeln sich die Elektronen an der Oberfläche des gesamten Leiters, anstatt sich gleichmäßig über dessen Querschnitt zu verteilen.
Der Skin-Effekt beeinflusst nicht nur den Rotorwiderstand, sondern auch die Rotorstreureaktanz. Betrachtet man den Verlauf des Streuflusses in der Nut, so erzeugt der Strom, der durch einen dünnen Leiter fließt, einen Streufluss nur vom dünnen Leiter zur Nut, nicht aber vom dünnen Leiter zum Nutgrund, da dieser nicht mit dem Stromfluss gekoppelt ist. Daher wird bei gleichem Stromfluss umso mehr Streufluss erzeugt, je näher man sich dem Nutgrund nähert, und umso weniger, je näher man der Nut ist. Der Skin-Effekt bewirkt also, dass der Strom im Leiter zur Nut gedrängt wird. Dadurch verringert sich der von demselben Strom erzeugte Nutstreufluss, und somit auch die Nutstreureaktanz. Folglich erhöht der Skin-Effekt den Rotorwiderstand und verringert die Rotorstreureaktanz.
Die Stärke des Skin-Effekts hängt von der Frequenz des Rotorstroms und der Nutengröße ab. Je höher die Frequenz und je tiefer die Nut, desto ausgeprägter ist der Skin-Effekt. Bei gleichem Rotor ändert sich der Skin-Effekt bei unterschiedlichen Frequenzen, und damit auch die Rotorparameter. Daher müssen Rotorwiderstand und Streureaktanz im Normalbetrieb und beim Anlauf unbedingt unterschieden und dürfen nicht verwechselt werden. Bei gleicher Frequenz ist der Skin-Effekt bei Tiefnutrotoren sehr stark, beeinflusst aber auch herkömmliche Kurzschlussläufer. Deshalb sollten die Rotorparameter selbst bei herkömmlichen Kurzschlussläufern im Anlauf und im Betrieb separat berechnet werden.
Die Rotorleckreaktanz der tiefen NutAsynchronmotorAufgrund der tiefen Rillenform des Rotors wird der Skin-Effekt zwar reduziert, die Streureaktanz des Rotors ist jedoch nach dieser Reduzierung immer noch höher als die eines herkömmlichen Kurzschlussläufers. Daher sind der Leistungsfaktor und das maximale Drehmoment von Motoren mit tiefen Rillen etwas geringer als die von herkömmlichen Kurzschlussläufermotoren.
Veröffentlichungsdatum: 05.07.2024