Elektrische Maschinen: Aufbau, Funktion und Typen

Elektrische Maschinen: Grundlagen und Typen

Polaritätswechsel bei Generatoren

Um die Richtung der Pole in einem Generator zu ändern, wird dies durch die Änderung der Drehrichtung des Generators erreicht, die Änderung der beiden Pole mit zwei Schützen oder die Vertauschung des Rotors. Dies gilt sowohl für Reihen-, Parallel- als auch für Fremderregung, wobei letztere Methode oft als die effektivste gilt.

Gleichstrommaschinen (DC-Maschinen)

Das Grundprinzip der Erzeugung elektrischer Energie in einer Gleichstrommaschine basiert auf der Wechselwirkung eines Magnetfeldes mit einem Leiter, wodurch eine Bewegung und ein Strom erzeugt werden. Dieser Strom entsteht, wenn Feldlinien in der Spule wechseln.

Mit zwei Magneten erreicht der Strom seinen höchsten Punkt, wenn die Leiter senkrecht zum Magnetfeld stehen. Nach dem Einschalten fällt der Strom praktisch auf Null, wenn die Leiter parallel zum Magnetfeld ausgerichtet sind. Bei einer zusätzlichen Umkehrung der Drehrichtung würde sich der Strom ebenfalls umkehren und negativ werden. Schließlich würde der Strom an seinem maximalen Punkt eine maximale negative Spannung im Verhältnis zur gesamten Drehbewegung erreichen.

Erregung von Magnetfeldern

Ein magnetisches Feld kann auf zwei Arten erzeugt werden: entweder mit einem Permanentmagneten oder mit einem Elektromagneten, der mit Gleichstrom (DC) versorgt wird.

Stromgleichrichtung bei Gleichstromgeneratoren

Beginnend mit einem einzelnen Ring und durch die Anordnung der Bürsten wird der Strom so gleichgerichtet, dass er immer in dieselbe Richtung fließt. Mit zunehmender Anzahl von Kommutatorsegmenten wird der gleichgerichtete Strom immer glatter und die Strombelastbarkeit steigt.

In einem Gleichstromgenerator gibt es bestimmte Designmerkmale. Beispielsweise können Generatoren vier Wicklungen haben: zwei im Rotor und zwei im Stator.

Die Wicklungen können einzeln, in Reihe, parallel oder in einer Mischschaltung betrieben werden, bei der beispielsweise die Hälfte einer Wicklung mit der anderen in Reihe oder parallel geschaltet wird.

Synchronmaschinen: Grundlagen

Synchronmaschinen sind elektromechanische Energieumwandlungsgeräte. Sie wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um oder umgekehrt. Ihre Drehzahl hängt direkt von der Netzfrequenz ab.

Aufbau von Synchronmaschinen

Synchronmaschinen bestehen aus zwei Hauptkomponenten:

• Rotor: Der Rotor ist der bewegliche Teil des Motors. Er befindet sich innerhalb des Stators und besteht aus einem Paket von Stahlblechen, die einen integralen Zylinder mit der Motorwelle bilden.
• Stator: Der Stator ist der feste Bestandteil des Motors. Er besteht aus einem Gehäuse, in dem eine Krone aus Stahlblech mit Schlitzen untergebracht ist.

Schenkelpolgeneratoren

Schenkelpolgeneratoren erzeugen einen Fluss in einer magnetisierten Eisenmasse, wodurch entsprechende Pole an den Schenkeln des Generators entstehen. In diesen Generatoren wird der magnetische Kreis durch einen anderen Teil, die Ankerwicklung, geschlossen, die mit Schlitzen versehen ist, in denen die zweite elektrische Schaltung untergebracht ist.

Glatte Polgeneratoren

Glatte Polgeneratoren werden durch die Felder gebildet, die vom Zylinderkopf (Nordpol) ausgehen oder nach dem Durchqueren des Ankers (Südpol) eintreten.

Vierpolige Generatoren

In vierpoligen Läuferwicklungen sind jeweils zwei separate Spulen in Reihe geschaltet, sodass die Orientierung der beiden Wicklungen jeder Reihe entgegengesetzt ist. Wenn die Maschine zu drehen beginnt, liegt eine konstante Stromstärke am Rotor an, wodurch zwei Nord- und zwei Südpole entstehen, die weit voneinander entfernt sind.

Synchronmotoren: Funktionsweise und Anwendung

Bei Synchronmotoren ist die Drehzahl konstant und hängt direkt von der Frequenz und der Polpaarzahl ab, was als Synchronismus bekannt ist. Diese Motortypen sind aufgrund ihrer konstanten und präzisen Drehzahl, die direkt von der Frequenz abhängt, sehr nützlich in der Automatisierung.

Um dieses Phänomen zu beschreiben, definieren wir folgende Variablen:

• n: Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min)
• f: Frequenz
• p: Polpaarzahl

Daraus ergibt sich die Formel für die Synchrondrehzahl:

n = (f * 60) / p

Asynchronmaschinen: Funktionsweise und Schlupf

Bei Asynchronmaschinen dreht sich der Rotor nicht synchron mit dem Magnetfeld des Stators, sondern mit einer geringeren Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeitsdifferenz wird als Schlupf bezeichnet. Die Drehzahl dieser Maschinen weicht daher von der Synchrondrehzahl ab.

Mit zunehmender Motorlast steigt der Schlupf und damit auch der Stromverbrauch. Der Schlupfanteil wird ebenfalls gemessen und ist ein wichtiger Kennwert für Asynchronmotoren.

Einphasenmotoren: Startproblematik

Einphasenmotoren sind nicht selbstanlaufend, daher benötigen sie zusätzliche Elemente, um in Betrieb genommen zu werden.

Arten von Einphasen-Induktionsmotoren

• Spaltphasenmotoren: Diese Motoren verfügen über zwei sehr unterschiedliche Wicklungen: eine Hauptwicklung und eine Hilfswicklung. Die Hilfswicklung ist für den Start des Motors verantwortlich und ermöglicht einen zweistufigen Anlauf. Sie besitzen einen Käfigläufer, ähnlich wie Drehstrommotoren.
• Kondensatormotoren: Sie haben zwei Wicklungen, eine Haupt- und eine Hilfswicklung. Ein Kondensator wird in Reihe mit der Hilfswicklung geschaltet, um das Anlaufmoment zu verbessern.
• Spaltpolmotoren (mit Kurzschlusswindung): Bei diesen Motoren gibt es keine separate Hilfswicklung; stattdessen wird eine Kurzschlusswindung um einen der Pole gelegt. Die Drehzahl hängt von der Anzahl der Pole des Motors ab. Das Anlaufmoment ist deutlich geringer als bei einem Spaltphasenmotor, etwa 60%.

Kollektormotoren

• Universalmotor: Der Universalmotor kann sowohl mit Wechselstrom (AC) als auch mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. Die Stator- und Rotorwicklungen sind über Bürsten in Reihe geschaltet. Das Anlaufmoment ist zwei- bis dreimal so hoch wie das normale Betriebsmoment. Die Drehzahl variiert je nach Belastung.

Schrittmotoren

• Hybrid-Schrittmotoren: Ihr Betrieb basiert auf der Kombination von zwei weiteren Arten von Schrittmotoren: dem variablen Reluktanzmotor und dem Permanentmagnetmotor.

Synchroner Betrieb von Maschinen

Das Funktionsprinzip dieser Maschinen ist dasselbe wie das von Synchronmotoren und basiert auf denselben Variablen. Ihr Schwerpunkt liegt in der Wechselwirkung von Feldern mit variablen Strömen.

Klassifizierung elektrischer Maschinen

Elektrische Maschinen werden grundsätzlich in drei Hauptgruppen eingeteilt:

• Generatoren: Wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um.
• Motoren: Wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um.
• Transformatoren: Behalten die Art der Energie bei, ändern aber deren Kenngrößen (z.B. Spannung oder Strom).

Aus mechanischer Sicht können Maschinen in rotierende und statische Maschinen eingeteilt werden. Rotierende Maschinen sind Generatoren und Motoren. Transformatoren sind statische Maschinen.

Bei rotierenden Maschinen gibt es einen feststehenden Teil, den Stator, und einen beweglichen Teil, den Rotor.