Arten von Elektromotoren: AC und DC, asynchron und synchron – und welcher passt zu welcher Aufgabe?

Wer in eine CNC-Maschine blickt, findet in einer einzigen Maschine drei verschiedene Motorfamilien: einen schlichten Drehstrom-Asynchronmotor, der den Späneförderer antreibt, Servomotoren, die die Achsen im Submillimeterbereich positionieren, und einen kleinen Motor, der die Kühlmittelpumpe dreht. Alle wandeln elektrische Energie in Drehbewegung um, sind aber nicht gegeneinander austauschbar. Wer die Unterschiede zwischen den Elektromotorarten kennt, kann die Frage „Welcher Motor ist der beste?“ durch die Frage „Welche Familie passt zu dieser Aufgabe?“ ersetzen.

Erste Unterscheidung: Wechselstrom oder Gleichstrom?

Motoren werden zunächst nach der Stromart unterschieden, mit der sie versorgt werden.

• Gleichstrommotoren (DC) arbeiten mit Gleichstrom. Da sich ihre Drehzahl leicht über die Spannung einstellen lässt, wurden sie viele Jahre in drehzahlgeregelten Antrieben, Kranen und Walzwerken eingesetzt. Bei Bauarten mit Bürsten verschleißen Kommutator und Bürsten und erfordern regelmäßige Wartung. In der Industrie wurden sie heute weitgehend durch umrichtergespeiste Wechselstrommotoren ersetzt; in Batteriefahrzeugen, Gabelstaplern und Kleingeräten sind sie weiterhin verbreitet.
• Wechselstrommotoren (AC) können direkt mit dem Wechselstrom des Netzes betrieben werden. Da sie weder Bürsten noch Kommutator benötigen, gehört der überwiegende Teil der Industriemotoren zu dieser Gruppe.

Innerhalb der Wechselstrommotoren: asynchron und synchron

Die entscheidende Frage, die Wechselstrommotoren unterscheidet, ist, ob der Läufer mit derselben Geschwindigkeit dreht wie das magnetische Drehfeld.

Asynchronmotor (Induktionsmotor)

Das vom Ständer erzeugte Drehfeld induziert im Läufer einen Strom und zieht den Läufer mit. Der Läufer dreht etwas langsamer als dieses Feld; diese Differenz heißt Schlupf. Je nach Läuferaufbau gibt es zwei Bauarten:

• Standard-Asynchronmotor: Im Läufer befinden sich an den Enden miteinander verbundene Aluminium- oder Kupferstäbe. Es gibt keine nach außen geführte Verbindung, keine Bürsten und keine Schleifringe. Er ist einfach, robust und kostengünstig; der Großteil der Anwendungen wie Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, Förderer und Brecher arbeitet mit diesem Motor.
• Schleifringläufer (gewickelter Läufer): Die Läuferwicklungen werden über Schleifringe und Bürsten nach außen geführt; beim Anlauf kann dem Läuferkreis ein Widerstand zugeschaltet werden. Er wurde für große Antriebe mit sehr schwerem Anlauf eingesetzt; seit Frequenzumrichter und Sanftanlasser verbreitet sind, kommt er in neuen Projekten nur noch selten vor.

Synchronmotor

Der Läufer dreht exakt mit derselben Geschwindigkeit wie das Drehfeld. Bauarten mit Permanentmagneten im Läufer (PM-Synchronmotor) bieten einen hohen Wirkungsgrad und arbeiten in der Regel mit einem Antriebsregler. Synchron-Reluktanzmotoren drehen dagegen ohne Magnete synchron, allein aufgrund der magnetischen Form des Läufers. Beide Bauarten lassen sich meist nicht ohne Frequenzumrichter direkt ans Netz anschließen; deshalb werden Motor und Umrichter gemeinsam ausgewählt.

Die Drehzahl des Asynchronmotors hängt von der Polzahl ab und liegt am 50-Hz-Netz für 2, 4, 6 und 8 Pole bei etwa 3000, 1500, 1000 und 750 U/min. Details finden Sie in unserem Beitrag zur Pol-Drehzahl-Tabelle.

Nach Versorgungsart: einphasig und dreiphasig

Asynchronmotoren werden auch nach dem Netzanschluss in zwei Gruppen unterteilt. Einphasenmotoren arbeiten an einer einphasigen 230-V-Leitung; da sie von sich aus kein Anlaufmoment erzeugen, nutzen sie eine Hilfswicklung und einen Kondensator. Sie werden dort bevorzugt, wo nur ein Haushaltsnetz vorhanden ist, etwa für kleine Pumpen, Kompressoren und Werkstattmaschinen; die Einphasen-Baureihe von HEM Motor umfasst 0,18–5,5 kW. Drehstrommotoren werden dagegen aus dem dreiphasigen Industrienetz versorgt, erreichen höhere Leistungen, erzeugen ein gleichmäßigeres Drehmoment und sind bei gleicher Leistung kleiner. Welcher zu wählen ist, haben wir im Beitrag Einphasen- oder Drehstrommotor verglichen.

Spezialmotoren für Positionierung und präzise Bewegung

Manche Motoren sind nicht für dauerndes Drehen ausgelegt, sondern dafür, einen bestimmten Winkel anzufahren und dort zu halten:

• Servomotor: Er arbeitet mit einem Rückführelement, das die Wellenposition erfasst (Encoder oder Resolver), und einem eigenen Servoregler. Eingesetzt wird er für schnelle, präzise Bewegungen an CNC-Achsen, Robotern und Verpackungsmaschinen.
• Schrittmotor: Er dreht bei jedem Impuls um einen bestimmten Winkel. Da er ohne Rückführung arbeiten kann, ist er bei einfachen Positionieraufgaben, in 3D-Druckern und Dosiergeräten verbreitet. Bei hoher Drehzahl und hoher Last kann er Schritte verlieren.
• Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC): Elektronisch kommutierte, kompakte und effiziente Motoren. Sie finden sich häufig in Lüftern, kleinen Pumpen und tragbaren Geräten.

Diese Motoren werden mit ihren eigenen Antriebsreglern als System verkauft und ersetzen keinen industriellen Asynchronmotor; umgekehrt gilt dasselbe.

Die Varianten des industriellen Asynchronmotors

Mit der Entscheidung für einen dreiphasigen Asynchronmotor endet die Vielfalt nicht, sie verlagert sich nur auf andere Merkmale. Im Katalog unterscheiden sich die Versionen desselben Grundmotors durch folgende Eigenschaften:

• Wirkungsgradklasse: IE3, IE4 und IE5. Motoren gleicher Leistung haben unterschiedliche Verluste; so liegen die Grenzwirkungsgrade beim 7,5-kW-Motor mit 4 Polen bei 90,4 %, 92,6 % bzw. 94,0 %. Wie sich die Mehrinvestition amortisiert, haben wir im Beitrag IE3 oder IE4 berechnet.
• Gehäusewerkstoff: Graugussgehäuse für Schwerindustrie und raue Umgebungen, Aluminiumgehäuse bei ausgewählten kleinen Leistungen wegen des geringeren Gewichts.
• Bauform: Fußausführung (B3), Flanschausführung (B5, B14) oder beides (B35, B34); bei vertikalem Betrieb Lagen wie V1 und V5.
• Schutzart: IP55 als Standard; je nach Umgebung IP44, IP56 oder IP65 auf Anfrage als Sonderausführung.
• Anwendungsspezifische Versionen: Schwerlastmotoren für Lasten mit hohem Anlaufmoment wie Brecher und Mühlen, Vibrationsmotoren, die in Sieben und Aufgebern Schwingungen erzeugen, und Getriebemotoren dort, wo eine niedrige Abtriebsdrehzahl benötigt wird.

Auch das Anlaufverhalten des Motors ist ein Unterscheidungsmerkmal. Zwei Asynchronmotoren gleicher Leistung können je nach Gestaltung der Läuferstäbe ein unterschiedliches Anlaufmoment bieten. Dieses Thema behandeln wir im Beitrag zu den Drehmomentklassen.

Welche Aufgabe, welche Motorfamilie?

Die folgende Zuordnung ist keine feste Regel, sondern eine erste Orientierung:

• Dauernd mit konstanter Drehzahl drehende Last (Pumpe, Ventilator, Kompressor, Förderer): Drehstrom-Asynchronmotor.
• Last mit häufig wechselnder Drehzahl (Pumpe mit Volumenstromregelung, drehzahlgeregelter Förderer): Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter; bei hohem Wirkungsgradziel PM- oder Reluktanzmotor mit passendem Antriebsregler.
• Schwerer, stoßartiger Anlauf (Brecher, Mühle): Schwerlast-Asynchronmotor mit hohem Anlaufmoment.
• Langsame Bewegung mit hohem Drehmoment (Rührwerk, Trommel): Getriebemotor oder separater Motor mit Getriebe.
• Präzise Position und schnelles Start-Stopp (Roboter, CNC-Achse): Servosystem.
• Nur Einphasennetz (kleine Werkstatt, Landwirtschaft): Einphasenmotor.

Fazit

Die Arten von Elektromotoren wirken auf den ersten Blick zahlreich, doch der Großteil der Aufgaben in der Industrie fällt dem dreiphasigen Asynchronmotor zu; die eigentliche Auswahl erfolgt zwischen dessen Optionen für Leistung, Drehzahl, Wirkungsgrad, Gehäuse und Bauform. Spezialmotoren für Positionierung, die an einen Antriebsregler gebunden sind, sollten dagegen als eigenes System betrachtet werden. Die passende Version für Ihre Anwendung finden Sie auf unserer Seite Drehstrom-Elektromotoren.

Häufig gestellte Fragen

Welcher Elektromotor wird in der Industrie am häufigsten eingesetzt?

Am verbreitetsten ist der dreiphasige Asynchronmotor. Da er keine Verschleißteile wie Bürsten und Schleifringe hat, ist er wartungsarm und wird im Großteil der Anwendungen wie Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren und Förderern eingesetzt.

Was ist der Unterschied zwischen Asynchron- und Synchronmotor?

Beim Asynchronmotor dreht der Läufer etwas langsamer als das magnetische Drehfeld und erzeugt durch diesen Schlupf sein Drehmoment. Beim Synchronmotor dreht der Läufer exakt mit derselben Geschwindigkeit wie das Feld; diese Motoren werden meist zusammen mit einem Frequenzumrichter betrieben.

Kann statt eines Servomotors ein Asynchronmotor verwendet werden?

Bei dauernd drehenden Aufgaben ohne Anforderungen an die Positioniergenauigkeit genügt ein Asynchronmotor. Bei Achsen, die schnell einen bestimmten Winkel anfahren und dort halten müssen, sind dagegen Rückführung und Regler eines Servosystems erforderlich; ein Asynchronmotor kann diese Aufgabe nicht mit derselben Präzision erfüllen.

Werden Gleichstrommotoren nicht mehr verwendet?

Bei drehzahlgeregelten Antrieben in der Industrie haben umrichtergespeiste Wechselstrommotoren die Gleichstrommotoren weitgehend ersetzt. In Anwendungen mit Gleichstromquelle wie Batteriefahrzeugen, Gabelstaplern und Kleingeräten sind sie jedoch nach wie vor verbreitet.

Für die Drehstrom-Asynchronmotoren von HEM Motor siehe die Modelle mit Aluminiumgehäuse (0,25–11 kW) und mit Graugussgehäuse (0,55–355 kW).