Arbeitsprinzip eines Synchronmotors

Struktur und Anregung von Synchronmotoren

Der Synchronmotor besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Stator (statischer Teil) und dem Rotor (drehender Teil). Der Stator wird durch eine Drehstromversorgung mit drei Phasen gespeist, während der Rotor durch eine Gleichstromversorgung angeregt wird.

Anregungsprinzip:
Unter Anregung versteht man den Prozess, magnetische Felder sowohl im Stator als auch im Rotor zu induzieren, wodurch sie zu Elektromagneten werden. Diese magnetische Kopplung ist entscheidend für die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Rotation.

Magnetfelderzeugung in Synchronmotoren

Die Drehstromversorgung mit drei Phasen induziert wechselnde Nord- und Südpole im Stator. Da die Versorgung sinusförmig ist, ändert sich ihre Wellenpolarität (positiv/negativ) jede halbe Periode, was zur Wechselwirkung der Nord- und Südpole des Stators führt. Dies erzeugt ein rotierendes Magnetfeld im Stator.

Das Magnetfeld des Rotors wird durch eine Gleichstromversorgung etabliert, die die Polarität festlegt und ein stationäres Magnetfeld schafft – das bedeutet, seine Nord- und Südpole bleiben konstant.

Die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfelds des Stators wird als Synchrongeschwindigkeit bezeichnet, die durch die Netzfrequenz und die Anzahl der Pole des Motors bestimmt wird.

Magnetpolinteraktion in Synchronmotoren

Wenn entgegengesetzte Pole des Stators und des Rotors ausgerichtet sind, entsteht zwischen ihnen eine anziehende Kraft, die einen gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Drehmoment erzeugt. Das Drehmoment, als rotierendes Äquivalent der Kraft, treibt den Rotor dazu, den Magnetpolen des Stators zu folgen.

Nach jeder halben Periode kehrt sich die Polpolarität des Stators um. Allerdings behält der Rotor aufgrund seiner Trägheit – seiner Tendenz, Bewegungsänderungen zu widerstehen – seine Position bei. Wenn gleichartige Pole (Nord-Nord oder Süd-Süd) ausgerichtet sind, entsteht eine abstossende Kraft, die ein im Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment erzeugt.

Um dies zu visualisieren, betrachten Sie einen 2-Polen-Motor: Im nachfolgenden Bild induzieren entgegengesetzte Stator-Rotorpole (N-S oder S-N) anziehende Kräfte, wie dargestellt.

Nach der halben Periode kehren sich die Pole am Stator um. Die gleichen Pole des Stators und des Rotors stehen sich gegenüber, und es entwickelt sich eine abstoßende Kraft zwischen ihnen.

Das nicht-eindirektionale Drehmoment pulsiert den Rotor nur an einem Ort, und aus diesem Grund kann der Synchronmotor nicht selbststarten.

Startmechanismus von Synchronmotoren

Um den Betrieb zu beginnen, wird der Rotor zunächst durch eine externe Antriebsquelle gedreht, um seine Polarität mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators auszurichten. Sobald die Pole des Stators und des Rotors ineinandergreifen, wird ein eindirektionales Drehmoment erzeugt, das den Rotor dazu bringt, mit der Synchrongeschwindigkeit des Magnetfelds des Stators zu rotieren.

Sobald synchronisiert, läuft der Motor mit einer konstanten Geschwindigkeit, die der Synchrongeschwindigkeit entspricht, die durch die Netzfrequenz und die Anzahl der Pole festgelegt ist.