Asynchronmotor

Ein Asynchronmotor, auch Induktionsmaschine genannt, ist eine elektrische Maschine, bei der das umlaufende Magnetfeld der ruhenden Wicklungen im Läufer elektrische Ströme induziert, die ihrerseits die eigene Magnetisierung des Läufers erzeugen. Er existiert, weil er eine bemerkenswert einfache und robuste Möglichkeit bietet, elektrische Energie in Drehbewegung umzuwandeln, und das ganz ohne Permanentmagnete, Bürsten oder Seltene Erden. Erstmals von Nikola Tesla und Galileo Ferraris in den 1880er-Jahren vorgeführt, wurde er zum Arbeitspferd der Industrie und kehrte in den Pkw zurück, als Tesla ihn für den ursprünglichen Model S wählte.

Das Prinzip beruht auf der elektromagnetischen Induktion. Der dreiphasige Wechselstrom, der den Statorwicklungen zugeführt wird, erzeugt ein Magnetfeld, das mit einer von der Netzfrequenz bestimmten Geschwindigkeit um den Motor wandert. Der Läufer, typischerweise ein Käfig aus Aluminium- oder Kupferstäben, die an beiden Enden kurzgeschlossen sind, sitzt in diesem Feld. Da sich der Läufer etwas langsamer dreht als das Feld, schneiden die Feldlinien die Stäbe und induzieren in ihnen Ströme; diese induzierten Ströme erzeugen ihrerseits ein Feld, das vom Statorfeld mitgezogen wird. Dieser Geschwindigkeitsunterschied zwischen Feld und Läufer heißt Schlupf und ist unverzichtbar: Ohne Schlupf gäbe es keinen induzierten Strom und kein Drehmoment.

Für Fahrer und Fahrzeug liegt der Reiz des Asynchronmotors in seiner Langlebigkeit und seinen geringen Kosten. Da es keine Magnete gibt, die entmagnetisieren könnten, und der Läufer kaum mehr als ein Gussteil ist, verträgt er Hitze und hohe Drehzahlen gut und lässt sich günstig aus reichlich vorhandenen Werkstoffen fertigen. Ein weiterer praktischer Vorteil ist, dass der Läufer keine eigene Magnetisierung besitzt, sobald der Wechselrichter den Stator nicht mehr bestromt, und so nahezu keinen Widerstand erzeugt. Der Motor kann ungehindert mitlaufen, was die parasitären Verluste vermeidet, die eine permanenterregte Maschine erleidet, wenn sie unbestromt mitdreht.

Diese Mitlaufeigenschaft erklärt, warum Asynchronmotoren häufig an der Vorderachse zweimotoriger, allradgetriebener Elektroautos zu finden sind. Das Fahrzeug fährt auf der effizienteren permanenterregten Maschine an der Hinterachse und ruft den Asynchronmotor nur für zusätzliche Traktion oder Beschleunigung ab, während er die übrige Zeit mit vernachlässigbarem Verlust mitdrehen darf. Die Varianten unterscheiden sich vor allem in Läuferwerkstoff und Wicklungsauslegung, wobei Ausführungen mit Kupferläufer für eine bessere Effizienz etwas höhere Kosten in Kauf nehmen.

Der größte Nachteil ist die Effizienz bei geringer, gleichmäßiger Last. Die Aufrechterhaltung des Läuferfeldes erfordert ein fortwährendes Induzieren von Strömen, was ohmsche Erwärmung im Läufer verursacht, sodass ein Asynchronmotor im sanften Alltagsbetrieb in der Regel einige Prozentpunkte weniger effizient ist als eine vergleichbare permanenterregte Maschine. Zudem kann er bei gleicher Leistung etwas größer und schwerer ausfallen. Sein Verhalten wird vollständig vom Wechselrichter bestimmt, der Frequenz und Amplitude des gelieferten Stroms formt, weshalb beide Komponenten gemeinsam als ein einziges Antriebssystem und nicht für sich betrachtet werden müssen.