Spaltmotor

Ein Spaltpolmotor ist ein Elektromotor und gehört zu den Asynchronmotoren. Im Unterschied zum drehstromgespeisten Asynchronmotor läuft der Spaltpolmotor jedoch mit einphasigem Wechselstrom.

typischer kleiner Spaltpolmotor (Leistung einige Watt)

Aufbau

Beim Spaltpolmotor besteht der Stator aus einem Dynamoblechpaket mit lamellierten, ausgeprägten Polen, die in einen Hauptpol und einen Spaltpol aufgeteilt sind. Die Statorwicklungen sind konzentrisch angeordnet. Die Netzwicklung, der sogenannte Hauptstrang, liegt um das Statorjoch bzw. um die Polschäfte. Der Spaltpol besteht aus einer kleineren Nut, welche vom Hauptpol abgespalten ist. Um den Spaltpol liegt eine Kurzschlusswicklung, die meist nur 1–3 Windungen hat. Diese Kurzschlusswicklung, auch Kurzschlussring genannt, bildet zusammen mit der Netzwicklung im Betrieb einen kurzgeschlossenen Transformator. Damit eine günstige Feldverteilung erreicht wird, lässt man die Polschuhspitzen zusammenlaufen oder sogar überlappen. Um den gleichen Effekt zu erreichen, werden bei einigen Motoren die Polschuhe mit sogenannten Streublechen verbunden.

Der Spaltpolmotor hat einen Rotor, der als Käfigläufer aufgebaut ist und gewöhnlich aus verschränkt angeordneten Rundstäben besteht. In dem Rotor wird durch ein vom Stator erzeugtes ungleiches Drehfeld ein Drehmoment erzeugt. Die Eigenschaften des Spaltpolmotors werden ganz wesentlich durch die Ausbildung der Streubleche, Streustege und Streuspalte beeinflusst. Damit die Streustege und Streuspalte in der Serienproduktion mit wenig Toleranz behaftet sind, werden sie im Vorfeld bei der Konstruktionsplanung des Motors exakt berechnet.

Synchronbetrieb

Mehrpoliger Spaltpol-Synchronmotor mit Klauenpolen

Wird der Rotor von Spaltpolmotoren aus einem magnetisch hartem Werkstoff hergestellt, so laufen diese Motoren als Asynchronmotor an und nach dem Hochlaufen werden diese Motoren quasi in den Synchronismus hineingezogen. Anschließend laufen sie als Synchronmotor weiter. Diese Läufer werden auch Hystereseläufer genannt. Ein ähnliches Betriebsverhalten weist auch der Reluktanzmotor auf.

Ebenfalls als Einphasen-Synchronmotoren arbeiten langsamlaufende Spaltpolmotoren. Bei diesen Motoren induziert das Ständerdrehfeld Wirbelströme im Läuferring, welche den asynchronen Anlauf bewirken. Nach dem Hochlaufen bilden sich durch das Ständerdrehfeld im Magnetwerkstoff des Läufers ausgeprägte Pole. Bedingt dadurch nimmt der Rotor die Drehzahl des Ständerdrehfeldes an.

Langsamlaufender Spaltpolmotor

Langsamlaufende Spaltpolmotoren werden meist als Außenläufer gebaut. Damit sie eine entsprechend niedrige Drehzahl haben, werden sie mit 10 oder 16 Polen versehen. Der Stator besteht bei diesen Motoren aus einer ringförmigen Erregerspule und zwei aus Stahlblech bestehenden Ständerhälften. Diese Ständerhälften tragen am Umfang als Klauenpole wirkende Blechlappen. Die Polung der Klauenpole wird vom Magnetfeld der Erregerspule bestimmt. Aus diesem Grund ist die Polung der Klauenpole einer Ständerhälfte gleich.

Durch diesen Aufbau wirkt jede zweite Polklaue als Spaltpol. Um die Spaltpole einer Ständerhälfte ist ein gemeinsamer Kurzschlussring gebaut. Dieser Kurzschlussring erwirkt die Phasenverschiebung der magnetischen Flüsse in den Spaltpolen gegenüber den Hauptpolen.

Über die Klauenpole ist der Läufer in Topfform gestülpt. Auf der Läuferinnenseite befindet sich ein aus hartmagnetischem Werkstoff hergestellter Ring, der sogenannte Läuferring. Aufgrund des hartmagnetischen Werkstoffes des Läuferringes zeigt der langsamlaufende Spaltpolmotor das typische Drehzahlverhalten von Spaltpolmotoren mit Rotoren aus hartmagnetischem Werkstoff.

Mit der sogenannten Kreuzpolschaltung wird bei Spaltpolmotoren eine Drehzahländerung realisiert.

Funktion

Funktionsprinzip

Ein Stromfluss in der Statorwicklung erzeugt in dem Stator einen magnetischen Fluss Φ. Dieser teilt sich auf in das Hauptpolfeld Φ_H und in das Spaltpolfeld Φ_S, welcher durch die am Stator aufgebrachte Kurzschlusswicklung geht.

Das Spaltpolfeld induziert in der Kurzschlusswicklung eine Spannung, wodurch darin der Kurzschlussstrom I_s entsteht. Dieser Strom baut durch Selbstinduktion den Fluss Φ’_S auf, welcher dem Hauptfeld Φ_H nacheilt. Zusammen erzeugen beide Flüsse im Rotor ein ungleiches, sogenanntes elliptisches Drehfeld, das den Rotor mitnimmt. Dieses elliptische Drehfeld ist ein qualitativ schlechtes Drehfeld.

Die Magnetpole des durch die beiden phasenverschobenen Ströme hervorgerufenen magnetischen Feldes wandern nacheinander zu folgenden Statorpolen: Hauptpol 1 zu Spaltpol 1, Hauptpol 2 zu Spaltpol 2. Somit ist die Drehbewegung immer vom Hauptpol zum Spaltpol.

Um das Drehfeld runder zu gestalten, sind die Spaltpole zuweilen ihrerseits noch einmal geteilt, wobei mit einer zweiten Kurzschlusswindung eine zusätzliche Phasenverschiebung erzeugt wird. Der Phasenwinkel der magnetischen Flüsse lässt sich durch eine genaue Wahl der Streustege vergrößern.

Ein auf diese Weise erzeugtes Drehfeld ist ausreichend, um den Läufer zu bewegen. Allerdings ist dieses Drehfeld auch stark belastungsabhängig und führt zu einem geringeren Anlaufdrehmoment als bei Drehstrommotoren mit gleicher Leistung. Das Anlaufdrehmoment ist abhängig von der Spaltpolbreite und der Streustegbreite und steigt mit der Breite der beiden Faktoren. Das Anlaufmoment beträgt etwa 50% vom Nennmoment. Durch die spezielle Statorform entstehen beim Spaltpolmotor grosse Streufelder mit entsprechenden Streufeldverlusten. Die Leistungsdichte ist bei Spaltpolmotoren konstruktionsbedingt sehr viel kleiner als bei Kondensatormotoren. Auch der Wirkungsgrad des Spaltpolmotors ist deutlich geringer als bei einem gleichstarken Drehstrom-Asynchronmotor oder einem Kondensatormotor. Dies ist auf die ohmschen Verluste in den Kurzschlusswindungen zurückzuführen. Diesen Nachteil vermeidet man bei einigen Motoren dadurch, dass man z.B. in Kühlschrank-Kompressoren die Kurzschlusswicklung nach Anlauf abschaltet.

Drehrichtungsumkehr

Schaltung zur Drehrichtungsänderung

Die Drehrichtung von Spaltpolmotoren kann normalerweise elektrisch nicht geändert werden, da sie durch die Polanordnung bedingt ist. Damit ein normaler Spaltpolmotor eine andere Drehrichtung bekommt, müsste man die Lagerschilde abbauen, den Läufer entfernen und in geänderter Richtung wieder einbauen. Dies ist sehr umständlich und aufgrund der Konstruktion (Lagerschilde mit Niet- anstatt mit Schraubverbindung) nicht immer möglich.

Die Drehrichtung eines Spaltpolmotors kann aber durch eine spezielle Anordnung umschaltbar gemacht werden. Hierzu wird der Motor so konstruiert, als wären zwei Spaltpolmotoren spiegelverkehrt auf einer Antriebswelle montiert. Der Motor wird so gebaut, dass eine zweite Kurzschlusswicklung angebaut werden kann. Es gibt Motoren mit vier Spaltpolen, deren Wicklungen jeweils paarweise kurzgeschlossen werden können.

Vor- und Nachteile

Vorteile

• sehr einfach im Aufbau
• preiswert
• hohe Laufruhe
• Wartungsfrei
• hohe Lebensdauer
• robust
• selbsttätiger Anlauf

Nachteile

• geringer Wirkungsgrad
• schlechter Leistungsfaktor
• nur für kleine Leistungen verwendbar (ca. 2/3 Leistung vom normalem Drehstrommotor)
• geringe Leistungsdichte
• in der "Normalausführung" keine Drehrichtungsumkehr

Einsatzbereiche

Spaltpolmotor
an einem Radiallüfter

Aufgrund ihres sehr einfachen Aufbaus werden Spaltpolmotoren jährlich in Großserien von mehreren millionen Stück gefertigt. Die Motoren werden als preiswerte Antriebsmaschinen mit geringen Leistungen bis etwa 300 Watt immer dann eingesetzt, wenn kein hohes Anlaufmoment erforderlich ist. Spaltpol-Synchronmotoren werden für Leistungen bis zu 3 Watt gebaut. Die genannten Vor- und Nachteile des Spaltpolmotors gegenüber anderen Asynchronmotoren bestimmen seine Einsatzgebiete: Sein geringer Wirkungsgrad (ca. 30%) verhindert den Einsatz im Bereich großer Leistungen. Sein Hauptvorteil, die Möglichkeit, ihn ohne zusätzlichen Kondensator an Wechselspannung betreiben zu können, hat ihm u.a. im Haushaltsbereich eine gewisse Verbreitung erbracht. Seine für Asynchronmotoren typische Laufruhe, Wartungsfreiheit und hohe Lebensdauer haben ihn zum Standardantrieb für kleine axiale und radiale Lüfter und Ventilatoren gemacht.

Einsatzbeispiele für Spaltpol-Asynchronmotoren

• Lüftermotor für Elektroheizgeräte
• Motor für Laugenpumpen in Waschmaschinen
• Motor für Pumpen in Wäschetrocknern
• Antriebsmotor für Plattenspieler
• Motor für Ventilatoren
• Antriebsmotor für Kühlaggregate und Kühltruhen
• als Wäscheschleuder - Direktantrieb

Einsatzbeispiele für Spaltpol-Synchronmotoren

• Antriebsmotor für Programmschaltwerke
• elektrische Uhren
• elektrische Zeitrelais
• schreibende Messgeräte

Quellen und Nachweise

• Spaltpolmotoren (Script der FH Düsseldorf)

Fachliteratur

Fachbücher

• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4
• A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4.Auflage. Verlag - Europa – Lehrmittel, 1965
• Hans Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN 3-8023-0725-9
• Detlev Roseburg: Elektrische Maschinen und Antriebe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 1999, ISBN 3-446-21004-0

Fachaufsätze und Fachartikel

• R. Gottkehaskamp: Spaltpolmotoren. Fachhochschule Düsseldorf, FB Elektrotechnik