Aktuell gibt es zwei gängige Arten von Wechselstrommotoren: 1. Drehstrom-Asynchronmotoren. 2. Einphasen-Wechselstrommotoren. Der erste Typ wird hauptsächlich in der Industrie eingesetzt, der zweite vorwiegend in Haushaltsgeräten. I. Rotationsprinzip von Drehstrom-Asynchronmotoren. Voraussetzung für die Rotation eines Drehstrom-Asynchronmotors ist das Vorhandensein eines rotierenden Magnetfelds. Dieses wird durch die Statorwicklungen erzeugt. Die Spannungen zwischen den Phasen eines Stromnetzes sind bekanntlich um 120 Grad phasenverschoben. Ebenso sind die drei Wicklungen im Stator eines Drehstrom-Asynchronmotors räumlich um 120 Grad phasenverschoben. Wird die Statorwicklung mit Drehstrom versorgt, entsteht somit ein rotierendes Magnetfeld. Der Prozess der Magnetfelderzeugung ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Abbildung zeigt die Entstehung des rotierenden Magnetfelds zu vier verschiedenen Zeitpunkten. Bei jeder Stromänderung dreht sich das rotierende Magnetfeld einmal im Raum. Das heißt, die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds ist mit der Stromänderung synchronisiert. Die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds berechnet sich nach der Formel: n = 60f/P, wobei f die Netzfrequenz, P die Polpaarzahl des Magnetfelds und n die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute ist. Gemäß dieser Formel hängt die Drehzahl eines Elektromotors von der Polzahl und der Netzfrequenz ab. Daher gibt es zwei Methoden zur Drehzahlregelung eines Wechselstrommotors: 1. Änderung der Polzahl; 2. Frequenzumwandlung. Früher war die erste Methode gebräuchlicher, heute wird jedoch die Frequenzumwandlungstechnik zur stufenlosen Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren eingesetzt. Die Drehrichtung des rotierenden Magnetfelds hängt von der Phasenfolge des Stroms in den Wicklungen ab. Bei einer Phasenfolge A, B, C im Uhrzeigersinn dreht sich das Magnetfeld im Uhrzeigersinn. Werden zwei der drei Phasen vertauscht, beispielsweise wenn der Strom der Phase B in die Wicklung der Phase C und umgekehrt eingespeist wird, ändert sich die Phasenfolge zu C, B, A, und das Magnetfeld dreht sich zwangsläufig gegen den Uhrzeigersinn. Mithilfe dieser Eigenschaft lässt sich die Drehrichtung eines Drehstrommotors leicht ändern. Nachdem die Statorwicklungen ein Drehfeld erzeugt haben, schneiden die Rotorstäbe (Käfigläuferstäbe) die Feldlinien dieses Feldes und induzieren so einen Strom. Dieser Strom in den Rotorstäben interagiert mit dem Drehfeld und erzeugt eine elektromagnetische Kraft. Das dadurch erzeugte Drehmoment treibt den Rotor an, sich mit der Drehzahl n₁ in Richtung des Drehfeldes zu drehen. Im Allgemeinen ist die tatsächliche Drehzahl n₁ des Elektromotors niedriger als die Drehzahl n des Drehfeldes. Wäre n = n₁, gäbe es keine Relativbewegung zwischen den Rotorstäben und dem Drehfeld, sie würden also keine Feldlinien schneiden und somit kein Drehmoment erzeugen. Daher muss die Rotordrehzahl n1 kleiner als n sein. Aus diesem Grund wird ein Drehstrommotor als Asynchronmotor bezeichnet. II. Rotationsprinzip eines Einphasen-Wechselstrommotors Ein Einphasen-Wechselstrommotor besitzt nur eine Wicklung, und der Rotor ist ein Kurzschlussläufer. Wenn ein einphasiger sinusförmiger Strom durch die Statorwicklung fließt, erzeugt der Motor ein magnetisches Wechselfeld. Die Stärke und Richtung dieses Magnetfelds ändern sich sinusförmig mit der Zeit, seine räumliche Ausrichtung ist jedoch konstant; daher wird dieses Magnetfeld auch als pulsierendes Wechselfeld bezeichnet. Dieses pulsierende Wechselfeld lässt sich in zwei rotierende Magnetfelder mit gleicher Drehzahl, aber entgegengesetzter Drehrichtung zerlegen. Steht der Rotor still, erzeugen diese beiden rotierenden Magnetfelder zwei gleich große, aber entgegengesetzte Drehmomente im Rotor, sodass das resultierende Drehmoment null ist und sich der Motor nicht drehen kann. Wird eine äußere Kraft angewendet, um einen Elektromotor in eine bestimmte Richtung (z. B. im Uhrzeigersinn) zu drehen, verringert sich die Schnittbewegung der Magnetfeldlinien zwischen dem Rotor und dem im Uhrzeigersinn rotierenden Magnetfeld. Die Schneidbewegung der Magnetfeldlinien zwischen Rotor und rotierendem Magnetfeld gegen den Uhrzeigersinn nimmt zu. Dadurch wird das Gleichgewicht gestört, und das vom Rotor erzeugte elektromagnetische Drehmoment ist nicht mehr null, wodurch sich der Rotor in Richtung der Schubkraft dreht. Um einen Einphasenmotor automatisch in Rotation zu versetzen, kann dem Stator eine Anlaufwicklung hinzugefügt werden. Die Anlaufwicklung ist um 90 Grad phasenverschoben zur Hauptwicklung. Ein geeigneter Kondensator wird in Reihe mit der Anlaufwicklung geschaltet, sodass der Strom in der Anlaufwicklung ebenfalls um etwa 90 Grad phasenverschoben zum Strom in der Hauptwicklung ist – dies ist das sogenannte Phasentrennungsprinzip. So werden zwei zeitlich um 90 Grad phasenverschobene Ströme in zwei räumlich um 90 Grad phasenverschobene Wicklungen eingespeist, wodurch ein (zweiphasiges) rotierendes Magnetfeld erzeugt wird. Unter der Einwirkung dieses rotierenden Magnetfelds kann der Rotor automatisch anlaufen. Nach dem Anlauf, sobald eine bestimmte Drehzahl erreicht ist, trennt ein Fliehkraftschalter oder eine andere am Rotor installierte automatische Steuerung die Anlaufwicklung. Im Normalbetrieb arbeitet nur die Hauptwicklung. Daher kann die Anlaufwicklung für Kurzzeitbetrieb ausgelegt werden. In vielen Fällen wird die Anlaufwicklung jedoch nicht abgeschaltet; dieser Motortyp wird als Kondensator-Einphasenmotor bezeichnet. Um die Drehrichtung dieses Motortyps zu ändern, kann die Position des in Reihe geschalteten Kondensators verändert werden. Eine weitere Methode zur Erzeugung eines Drehfelds in einem Einphasenmotor ist die Spaltpolwicklung, auch bekannt als Einphasen-Spaltpolmotor. Der Stator dieses Motortyps besteht aus ausgeprägten Polen und ist in zwei- und vierpoligen Ausführungen erhältlich. Jeder Pol weist, wie in Abbildung 3 dargestellt, bei einem Drittel bis einem Viertel seiner Polfläche eine kleine Nut auf, die den Pol in zwei Teile teilt. Ein kurzgeschlossener Kupferring ist auf den kleineren Teil des Pols aufgesetzt und umschließt diesen – daher der Name Spaltpolmotor. Die Einphasenwicklung ist auf dem gesamten Pol angebracht, wobei die Spulen jedes Pols in Reihe geschaltet sind. Beim Anschluss müssen die erzeugten Polaritäten in der Reihenfolge Nord, Süd, Nord, Süd angeordnet sein. Beim Bestromen der Statorwicklung entsteht in den Magnetpolen ein Hauptmagnetfeld. Gemäß dem Lenzschen Gesetz induziert das durch den kurzgeschlossenen Kupferring fließende Hauptmagnetfeld einen Strom im Kupferring, der dem Hauptmagnetfeld um 90 Grad phasenverschoben nacheilt. Auch das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld eilt dem Hauptmagnetfeld phasenverschoben nach. Seine Funktion entspricht der Anlaufwicklung eines Kondensatormotors; es wird ein Drehfeld erzeugt, das den Motor in Rotation versetzt. Funktionsprinzip eines Synchronmotors: Ein Synchronmotor ist ein Wechselstrommotor, dessen Statorwicklung der eines Asynchronmotors entspricht. Seine Rotordrehzahl entspricht der Drehzahl des von der Statorwicklung erzeugten Drehfelds, daher der Name Synchronmotor. Aus diesem Grund eilt der Strom in einem Synchronmotor der Spannung phasenverschoben voraus, wodurch ein Synchronmotor eine kapazitive Last darstellt. Synchronmotoren werden daher häufig zur Verbesserung des Leistungsfaktors von Stromversorgungssystemen eingesetzt. Es gibt im Allgemeinen zwei Bauarten von Synchronmotoren: 1. Der Rotor wird mit Gleichstrom erregt. Der Rotor dieses Motortyps ist in Abbildung 1 dargestellt. Wie ersichtlich, handelt es sich um einen Schenkelpolrotor. Die auf dem Magnetpolkern montierten Magnetfeldspulen sind in Reihe geschaltet und bilden abwechselnd entgegengesetzte Polaritäten. Sie sind über zwei Zuleitungen mit zwei auf der Welle montierten Schleifringen verbunden. Die Magnetfeldspulen werden von einem kleinen Gleichstromgenerator oder einer Batterie erregt. Bei den meisten Synchronmotoren ist der Gleichstromgenerator auf der Motorwelle montiert, um den Erregerstrom für die Rotormagnetpolspulen bereitzustellen. Da dieser Synchronmotortyp nicht automatisch anläuft, ist zusätzlich eine Kurzschlussläuferwicklung auf dem Rotor installiert. Die Kurzschlussläuferwicklung ist um den Rotor angeordnet und ähnelt in ihrem Aufbau dem eines Asynchronmotors. Wird an die Statorwicklungen eine dreiphasige Wechselstromversorgung angelegt, entsteht im Motor ein Drehfeld. Die Kurzschlussläuferwicklung schneidet die magnetischen Feldlinien, induziert einen Strom und versetzt so den Motor in Rotation. Nach dem Anlaufen des Motors erhöht sich seine Drehzahl allmählich auf einen Wert, der etwas unterhalb der Drehzahl des rotierenden Magnetfelds liegt. An diesem Punkt wird die Rotormagnetfeldspule mit Gleichstrom erregt, wodurch sich auf dem Rotor Magnetpole ausbilden. Diese Magnetpole folgen den rotierenden Magnetpolen des Stators und erhöhen so die Drehzahl des Motorrotors, bis er sich synchron mit dem rotierenden Magnetfeld dreht. 2. Synchronmotoren ohne Rotorerregung: Synchronmotoren ohne Rotorerregung können sowohl mit einphasigen als auch mit mehrphasigen Stromversorgungen betrieben werden. Ein Typ dieses Motors besitzt eine Statorwicklung ähnlich der eines Spaltpol- oder Mehrphasenmotors und ebenfalls einen Kurzschlussläufer mit ebener Oberfläche (siehe Abbildung 2). Daher handelt es sich um einen Schenkelpolläufer. Die Rotormagnetpole bestehen aus magnetisiertem Stahl und behalten ihren Magnetismus. Die Kurzschlussläuferwicklung dient der Erzeugung des Anlaufdrehmoments. Sobald der Motor eine bestimmte Drehzahl erreicht hat, synchronisieren sich die Rotorpole mit der Stromfrequenz der Statorspule. Die Polarität der Pole wird vom Stator vorgegeben, daher muss ihre Anzahl der Polzahl des Stators entsprechen. Erreicht der Motor seine Nenndrehzahl, verliert die Kurzschlussläuferwicklung ihre Funktion. Die Rotation wird aufrechterhalten, indem die Rotorpole den Statorpolen folgen und sich so synchronisieren.