Alle rotierenden Elektromotoren, sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrommotoren, funktionieren durch die Wechselwirkung zweier Magnetfelder. Das eine ist stationär und gehört (normalerweise) zum Außengehäuse des Motors. Das andere rotiert und ist mit dem sich drehenden Anker des Motors (auch Rotor genannt) verbunden. Die Drehung wird durch die Wechselwirkung zwischen den beiden Feldern verursacht.

In einem einfachen Gleichstrommotor gibt es ein rotierendes Magnetfeld, dessen Polarität bei jeder halben Umdrehung durch eine Bürsten-Kommutator-Kombination umgekehrt wird. Die Bürsten – im Prinzip leitende Kohlestäbe, die bei der Drehung über die Leiter des Rotors streichen – dienen auch dazu, den elektrischen Strom in den sich drehenden Anker zu leiten. Beim bürstenlosen Gleichstrommotor ist die Situation ein wenig anders. Das Drehfeld wird immer noch umgekehrt, aber durch eine Kommutierung, die elektronisch stattfindet.

Ein Induktionsmotor hat die einzigartige Eigenschaft, dass es keine elektrische Verbindung zwischen den stationären und rotierenden Wicklungen gibt. Der Netzwechselstrom wird an die Klemmen des Motors angelegt und versorgt die stationären Wicklungen.

Alle Induktionsmotoren sind Asynchronmotoren. Die Bezeichnung asynchron ergibt sich aus dem Schlupf zwischen der Drehzahl des Statorfelds und der etwas langsameren Drehzahl des Rotors.

Die meisten modernen Asynchronmotoren haben einen Rotor in Form eines Käfigläufers. Der zylindrische Käfig besteht aus schweren Kupfer-, Aluminium- oder Messingstäben, die in Nuten eingesetzt und an beiden Enden durch leitende Ringe verbunden sind, die die Stäbe elektrisch kurzschließen. Der massive Kern des Rotors besteht aus gestapelten Elektrostahlblechen.

Es gibt auch Induktionsmotoren, deren Läufer nicht aus einem Käfig, sondern aus Wicklungen bestehen. Diese werden als Induktionsmotoren mit gewickeltem Rotor bezeichnet. Der Sinn dieser Konstruktion besteht darin, den Rotorstrom zu reduzieren, wenn der Motor anfängt, sich zu drehen. Dies wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass jede Rotorwicklung mit einem Widerstand in Reihe geschaltet wird. Die Wicklungen werden über eine Art Schleifringanordnung mit Strom versorgt. Sobald der Rotor seine Enddrehzahl erreicht hat, werden die Rotorpole auf Kurzschluss geschaltet und sind damit elektrisch identisch mit einem Käfigläufer.

Der stationäre Teil der Induktionsmotorwicklungen (Stator) ist mit der Wechselstromversorgung verbunden. Das Anlegen einer Spannung an den Stator bewirkt, dass in den Statorwicklungen ein Wechselstrom fließt. Der Stromfluss induziert ein Magnetfeld, das auf den Rotor einwirkt und einen Spannungs- und Stromfluss in den Rotorelementen bewirkt.

Ein Nordpol im Stator induziert einen Südpol im Rotor. Aber die Lage des Statorpols dreht sich, wenn die Wechselspannung in Amplitude und Polarität variiert. Der induzierte Pol im Rotor versucht, dem rotierenden Statorpol zu folgen. Das Faraday’sche Gesetz besagt jedoch, dass eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn sich eine Drahtschleife von einem Bereich mit geringer Magnetfeldstärke zu einem Bereich mit hoher Magnetfeldstärke bewegt und umgekehrt. Würde der Rotor dem sich bewegenden Statorpol genau folgen, gäbe es keine Änderung der Magnetfeldstärke. So hinkt der Rotor immer der Drehung des Statorfelds hinterher, weil das Rotorfeld dem Statorfeld immer um einen gewissen Betrag hinterherhinkt. Diese Verzögerung führt dazu, dass sich der Rotor mit einer Geschwindigkeit dreht, die etwas langsamer ist als die des Statorfelds. Die Differenz zwischen den beiden wird als Schlupf bezeichnet.

Die Höhe des Schlupfes kann variieren. Er hängt hauptsächlich von der Last ab, die der Motor antreibt, wird aber auch durch den Widerstand des Rotorkreises und die Stärke des Feldes, das der Statorfluss induziert, beeinflusst. Der Schlupf bei einem Motor der Bauform B liegt zwischen 0,5 % und 5 %.

Wenn der Motor stillsteht, sind die Rotor- und Statorwicklungen in Wirklichkeit Primär- und Sekundärwicklungen eines Transformators. Wenn Wechselstrom an den Stator angelegt wird, bewegt sich der Rotor nicht. Daher hat die im Rotor induzierte Spannung die gleiche Frequenz wie die des Stators. Wenn sich der Rotor zu drehen beginnt, sinkt die Frequenz der in ihm induzierten Spannung, fr, ab. Wenn f die Frequenz der Statorspannung ist, steht der Schlupf, s, über fr = sf zwischen den beiden. Hier wird s als Dezimalzahl ausgedrückt.

Da ein Induktionsmotor keine Bürsten, Kommutatoren oder ähnliche bewegliche Teile hat, ist er in der Herstellung und Wartung kostengünstiger als andere Motortypen.

Betrachten wir dagegen einen Synchronmotor. Hier dreht sich der Rotor im gleichen Takt – also synchron – wie das Magnetfeld des Stators. Wie der Asynchronmotor besteht auch der Synchron-Wechselstrommotor aus einem Stator und einem Rotor. Die Statorwicklungen sind ebenfalls wie beim Asynchronmotor mit dem Wechselstrom verbunden. Das Statormagnetfeld dreht sich synchron mit der Netzfrequenz.

Die Rotorwicklung eines Synchronmotors kann auf verschiedene Weise mit Strom versorgt werden, in der Regel jedoch nicht durch Induktion (außer bei einigen Konstruktionen, die nur das Anlaufmoment liefern). Die Tatsache, dass sich der Rotor synchron mit der Netzfrequenz dreht, macht den Synchronmotor für den Antrieb hochgenauer Uhren nützlich.

Wir müssen betonen, dass sich der Rotor eines Synchron-Wechselstrommotors synchron mit einer ganzen Anzahl von Wechselstromzyklen dreht. Das ist nicht dasselbe wie zu sagen, dass er sich mit einer Drehzahl dreht, die der Netzfrequenz entspricht. Die Drehzahl des Motorrotors, d.h. die Synchrondrehzahl N, ist:

N = 120f/P = 60 f/P

Wobei f die Frequenz der Wechselstromversorgung in Hz, P die Anzahl der Pole (pro Phase) und p die Paarzahl der Pole pro Phase ist.

Je mehr Pole, desto langsamer dreht sich der Synchronmotor. Es ist teurer, einen langsameren Motor zu bauen, bei gleicher Leistung. Bei 60 Hz:

• Ein zweipoliger/phasiger Wechselstrom-Synchronmotor dreht sich mit 3.600 U/min.
• Ein vierpoliger/phasiger Wechselstrom-Synchronmotor dreht sich mit 1.800 U/min.
• Ein sechspoliger/phasiger Synchron-Wechselstrommotor dreht mit 1.200 U/min.
• Ein achtpoliger/phasiger Synchron-Wechselstrommotor dreht mit 900 U/min
• Ein zehnpoliger/phasiger Synchron-Wechselstrommotor dreht mit 720 U/min.
• Ein zwölfpoliger/phasiger Synchron-Wechselstrommotor dreht sich mit 600 U/min.

Synchron-Wechselstrommotoren mit geringer Teilleistung sind nützlich, wenn ein präzises Timing gewünscht wird. Synchron-Wechselstrommotoren mit hoher Leistung sind zwar teurer als Drehstrom-Asynchronmotoren, haben aber zwei zusätzliche Vorteile. Trotz der höheren Anschaffungskosten können sie sich langfristig lohnen, da sie energieeffizienter sind als andere Motorentypen. Zweitens können sie manchmal gleichzeitig mit voreilendem oder einheitlichem Leistungsfaktor arbeiten, so dass ein oder mehrere Wechselstrom-Synchronmotoren eine Leistungsfaktorkorrektur vornehmen können, während sie gleichzeitig nützliche Arbeit leisten.

Es gibt mehrere verschiedene Arten von Wechselstrom-Synchronmotoren. Sie werden im Allgemeinen nach der Art der Erzeugung eines Magnetfeldes unterschieden. Bei fremderregten Motoren werden die Magnetpole durch eine externe Quelle erregt. Im Gegensatz dazu werden die Magnetpole bei selbsterregten Motoren (manchmal auch nicht erregt oder direkt erregt genannt) vom Motor selbst erregt. Zu den nicht erregten Typen gehören Reluktanzmotoren, Hysteresemotoren und Permanentmagnetmotoren. Außerdem gibt es gleichstromerregte Motoren.

Nichterregte Synchronmotoren haben Stahlrotoren. Im Betrieb wird der Rotor analog zu einem Asynchronmotor mit den erforderlichen Magnetpolen magnetisiert. Der Rotor dreht sich jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit und synchron mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators. Der Grund dafür sind die Schlitze im Rotor. Die Motoren starten als Induktionsmotoren. Wenn sie sich der Synchrondrehzahl nähern, sorgen die Schlitze dafür, dass sich das synchrone Magnetfeld am Rotor festsetzt. Der Motor dreht dann mit Synchrondrehzahl, solange das erforderliche Drehmoment gering ist.

Beim Reluktanzmotor hat der Rotor vorstehende Pole, die einzelnen Zähnen ähneln. Es gibt weniger Rotor- als Statorpole, so dass sich Stator- und Rotorpole nicht ausrichten können, da sonst keine Drehung stattfinden würde. Reluktanzmotoren sind nicht selbstanlaufend. Aus diesem Grund werden häufig spezielle Wicklungen (sogenannte Käfigwicklungen) in den Rotor eingebaut, so dass der Reluktanzmotor wie ein Induktionsmotor anläuft.

Der Hysteresemotor nutzt die große Hystereseschleife im hochkoerzitiven Kobaltstahlrotor. Aufgrund der Hysterese hinkt die Phase der Magnetisierung im Rotor der Phase des rotierenden Magnetfeldes des Stators hinterher. Diese Verzögerung erzeugt ein Drehmoment. Bei Synchrondrehzahl schließen sich die Felder von Rotor und Stator zusammen und erzeugen eine kontinuierliche Drehung. Ein Vorteil des Hysteresemotors ist, dass er selbsttätig anläuft.

Ein permanentmagnetischer Wechselstrom-Synchronmotor hat im Rotor eingebettete Permanentmagnete. Die neuesten Aufzüge werden von diesen Motoren angetrieben, und ein Getriebe ist nicht erforderlich.

Der direkt erregte Synchronmotor kann unter verschiedenen Bezeichnungen geführt werden, darunter ECPM (elektronisch kommutierter Permanentmagnetmotor), BLDC (bürstenloser Gleichstrommotor) oder einfach nur bürstenloser Permanentmagnetmotor. Der Rotor enthält Dauermagnete. Die Magnete können auf der Rotoroberfläche angebracht oder in die Rotorbaugruppe eingefügt sein (in diesem Fall wird der Motor als innenliegender Dauermagnetmotor bezeichnet).

Ein Computer steuert das sequentielle Schalten der Stromzufuhr zu den Statorwicklungen zum richtigen Zeitpunkt mithilfe von Halbleiterschaltern. Die Spulen, die auf die Statorzähne gewickelt sind, werden mit Strom versorgt, und wenn ein ausgeprägter Pol des Rotors perfekt auf den Statorzahn ausgerichtet ist, wird kein Drehmoment erzeugt. Steht der Rotorzahn in einem gewissen Winkel zum Statorzahn, überquert zumindest ein Teil des magnetischen Flusses den Spalt in einem Winkel, der nicht senkrecht zu den Zahnflächen steht. Das Ergebnis ist ein Drehmoment auf den Rotor. Wenn man also zum richtigen Zeitpunkt Strom in die Statorwicklungen schaltet, entsteht ein Flussmuster, das entweder eine Bewegung im oder gegen den Uhrzeigersinn bewirkt.

Eine andere Art von Synchronmotor ist der geschaltete Reluktanzmotor (SR-Motor).
Sein Rotor besteht aus gestapelten Stahlblechen mit einer Reihe von Zähnen. Die Zähne sind magnetisch permeabel und die sie umgebenden Bereiche sind aufgrund von eingeschnittenen Schlitzen schwach permeabel.

Im Gegensatz zu Induktionsmotoren gibt es keine Rotorstäbe und folglich keinen drehmomenterzeugenden Stromfluss im Rotor. Das Fehlen jeglicher Form von Leitern auf dem SR-Rotor bedeutet, dass die Gesamtverluste des Rotors wesentlich geringer sind als bei anderen Motoren mit leitenden Rotoren.

Das vom SR-Motor erzeugte Drehmoment wird durch Einstellung der Stromstärke in den Stator-Elektromagneten gesteuert. Die Drehzahl wird dann durch Modulation des Drehmoments (über den Wicklungsstrom) gesteuert. Die Technik ist analog zu der Art und Weise, wie die Geschwindigkeit über den Ankerstrom in einem herkömmlichen Bürsten-Gleichstrom-Motor gesteuert wird.

Ein SR-Motor erzeugt ein Drehmoment, das proportional zur Stromstärke in seinen Wicklungen ist. Die Drehmomenterzeugung ist unabhängig von der Motordrehzahl. Im Gegensatz zu Wechselstrommotoren, bei denen bei hohen Drehzahlen im Feldschwächebereich der Rotorstrom mit steigender Motordrehzahl dem Drehfeld zunehmend hinterherhinkt.

Schließlich gibt es den gleichstromerregten Wechselstrom-Synchronmotor. Er benötigt eine gleichgerichtete Stromversorgung, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Diese Motoren werden in der Regel in Größen von mehr als einer Pferdestärke gebaut.