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Die kontinuierliche Rotation eines Wechselstrommotors beruht auf der Nutzung des Prinzips der elektromagnetischen Induktion und der Wirkung eines rotierenden Magnetfelds sowie auf einem speziellen Konstruktionsdesign, das elektrische Energie stabil in mechanische Energie umwandelt. Seine wichtigsten Strukturen und Funktionsprinzipien lassen sich anhand der folgenden zwei Aspekte analysieren:
1. Schlüsselstrukturen: Die „Hardware-Grundlage“ zur Unterstützung der Rotation
Ein Wechselstrommotor besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptteilen: dem Stator und dem Rotor. Das Zusammenwirken dieser beiden Teile ist Voraussetzung für die Rotation.
- Stator: Als fester Teil des Motors sind die Kernkomponenten des Stators der Statorkern und die Statorwicklung. Der Statorkern wird üblicherweise durch Laminieren von Siliziumstahlblechen hergestellt, wodurch Wirbelstromverluste wirksam reduziert werden können. Die Innenseite des Kerns ist mit gleichmäßig verteilten Schlitzen zum Einbetten der Statorwicklung versehen. Die Statorwicklung besteht üblicherweise aus emaillierten Kupferdrähten und ist nach bestimmten Regeln zu einer Dreiphasenwicklung verbunden (die meisten industriellen Wechselstrommotoren sind Dreiphasenmotoren), die an eine Dreiphasen-Wechselstromversorgung angeschlossen ist. Wenn Strom durch die Wicklung fließt, erzeugt der Stator ein rotierendes Magnetfeld, das als „Stromquelle“ dient und den Motor zum Drehen bringt.
- Rotor: Der Rotor ist der rotierende Teil des Motors und wird üblicherweise in zwei Typen unterteilt: Käfigläufer und Wickelläufer. Der Käfigläufer hat eine einfache Struktur und besteht aus einem Rotorkern, Rotorwicklungen (Kupfer- oder Aluminiumstäbe) und Endringen. Die Rotorwicklungen sind wie ein „Käfig“ in die Schlitze des Kerns eingebettet und an beiden Enden durch die Endringe kurzgeschlossen. Der Wickelläufer hingegen hat Wicklungen mit Isolierschichten, die in die Schlitze des Kerns eingebettet sind. Die beiden Enden der Wicklungen werden durch Schleifringe und Bürsten herausgeführt, und externe Widerstände können angeschlossen werden, um die Motorleistung anzupassen. Die Hauptfunktion des Rotors besteht darin, unter der Wirkung des rotierenden Magnetfelds des Stators einen induzierten Strom zu erzeugen und dann durch elektromagnetische Kraft in Rotation versetzt zu werden.
2. Funktionsprinzip: Die durch elektromagnetische Kraft angetriebene „Rotationslogik“
Die Rotation eines Wechselstrommotors beruht auf dem vollständigen Prozess „Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds – Bildung eines induzierten Stroms – durch elektromagnetische Kraft angetriebene Rotation“. Nehmen wir den dreiphasigen asynchronen Wechselstrommotor (den am weitesten verbreiteten Typ) als Beispiel:
- Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds: Wenn die dreiphasigen Wicklungen des Stators an eine symmetrische dreiphasige Wechselstromversorgung angeschlossen sind, erzeugt jede Phase der Wicklung einen Wechselstrom, der sich mit der Zeit sinusförmig ändert. Aufgrund der Phasendifferenz von 120° zwischen den Dreiphasenströmen ist das von ihnen gemeinsam im Statorkern erregte Magnetfeld nicht stationär, sondern rotiert mit einer stabilen Geschwindigkeit (der sogenannten Synchrondrehzahl) um die Motorachse und bildet so ein „rotierendes Magnetfeld“. Die Größe der Synchrondrehzahl wird durch die Netzfrequenz und die Anzahl der Polpaare der Statorwicklung des Motors gemäß der Formel bestimmt: n₀ = 60f/p (wobei n₀ die Synchrondrehzahl in U/min, f die Netzfrequenz in Hz und p die Anzahl der Polpaare ist).
- Rotorinduzierter Strom und elektromagnetische Kraft: Die magnetischen Feldlinien des rotierenden Magnetfelds schneiden die Rotorwicklungen (oder Rotorstäbe). Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion wird in den Rotorwicklungen eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Da die Rotorwicklungen durch die Endringe (oder externen Stromkreise) einen geschlossenen Stromkreis bilden, lässt die induzierte elektromotorische Kraft einen Strom in den Rotorwicklungen fließen und erzeugt so einen „rotorinduzierten Strom“. An diesem Punkt befinden sich die Rotorleiter mit induziertem Strom im rotierenden Magnetfeld des Stators. Gemäß Flemings Linke-Hand-Regel sind die Rotorleiter der Wirkung elektromagnetischer Kräfte ausgesetzt. Das Gesamtdrehmoment, das diese elektromagnetischen Kräfte auf die Rotorachse des Motors ausüben, wird als „elektromagnetisches Drehmoment“ bezeichnet.
- Kontinuierliche Rotation und „asynchrone“ Charakteristik: Angetrieben durch das elektromagnetische Drehmoment beginnt sich der Rotor des Motors in Richtung des rotierenden Magnetfelds zu drehen und beschleunigt allmählich. Es ist jedoch zu beachten, dass die Drehzahl des Rotors (Rotordrehzahl n) niemals die Synchrondrehzahl n₀ des rotierenden Magnetfelds des Stators erreichen kann. Denn wenn die Rotordrehzahl gleich der Synchrondrehzahl ist, findet keine Relativbewegung zwischen den Rotorleitern und dem rotierenden Magnetfeld statt, und die magnetischen Feldlinien können die Rotorleiter nicht schneiden. Infolgedessen verschwinden sowohl der im Rotor induzierte Strom als auch das elektromagnetische Drehmoment, und der Rotor wird aufgrund des Widerstands abgebremst. Daher ist die Rotordrehzahl immer niedriger als die Synchrondrehzahl. Diese „Drehzahldifferenz“ ist eine notwendige Voraussetzung für die Aufrechterhaltung des im Rotor induzierten Stroms und des elektromagnetischen Drehmoments und ist auch der Ursprung des Namens „Asynchronmotor“ (das Verhältnis der Drehzahldifferenz zur Synchrondrehzahl wird als Schlupfrate s bezeichnet, wobei s = (n₀ – n)/n₀, und s liegt im Normalbetrieb normalerweise zwischen 0,01 und 0,05). Durch diesen Mechanismus, bei dem das rotierende Magnetfeld den Rotor antreibt und die Drehzahldifferenz die Leistung aufrechterhält, erreicht der Wechselstrommotor eine kontinuierliche und stabile Rotation und treibt so verschiedene mechanische Geräte an.
