Elektrische Maschinen: Funktionsweise und Typen

Grundprinzipien der elektrischen Energieerzeugung

Das Grundprinzip der Erzeugung elektrischer Energie basiert auf einem Magnetfeld mit Feldlinien, in dem durch Bewegung Strom induziert wird. Dieser Strom entsteht, wenn sich das Magnetfeld in einer Spule (Bobina) ändert. Bei der Verwendung von Magneten erreicht der Strom seinen höchsten Punkt, wenn die Leiter senkrecht zum Feld stehen. Nach einer Drehung nähert sich der Wert praktisch der Nullmarke, sobald sie parallel zum Magnetfeld liegen. Bei einer weiteren Drehung kehrt sich die Richtung des Stroms um und wird negativ. Schließlich erreicht der Strom seinen maximalen negativen Spannungspunkt.

Kollektor und Kommutatorlamellen eines Dynamos

Ausgehend von einem einfachen Ring werden Bürsten eingesetzt, damit der Strom in die gleiche Richtung fließt. Durch die Erhöhung der Anzahl der Lamellen wird der Stromfluss gleichmäßiger und ähnelt zunehmend einem konstanten Gleichstrom (im Gegensatz zur Wechselstrombelastbarkeit).

Gleichstromgeneratoren und Motortypen

In einem Gleichstromgenerator gibt es verschiedene Konfigurationen. Die Generatoren verfügen über Wicklungen im Läufer (Rotor) und im Stator. Beide Teile können wie folgt betrieben werden:

• In Reihe (Serienschaltung)
• Parallel (Nebenschluss)
• Verbundschaltung (Compound), die Teile beider Wicklungen kombiniert.

Brushless-Motoren: Diese basieren auf Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten.
Allstrommotoren (Universalmotoren): Dies sind Gleichstrommotoren, die mit Wechselstrom betrieben werden können, wie sie beispielsweise in Waschmaschinen verwendet werden.

Variablen und Steuerung

Die Spannung ist proportional zur Änderung des magnetischen Flusses. Reihen- und Parallelschaltungen erhöhen die Varianz der Fließgeschwindigkeit. Bei separat erregten Motoren steigt die Strömungsgeschwindigkeit mit der Intensität der Erregung (Iex). Die Geschwindigkeit wird in U/min gemessen und mit dem Buchstaben n abgekürzt. Um die Polrichtung zu ändern, wird entweder die Drehrichtung angepasst, ein Schütz verwendet oder der Rotor vertauscht.

Gleichstrommotoren im Detail

Das Funktionsprinzip basiert auf der Lorentzkraft (F, B, I). Wenn ein Fluss (B) und eine Intensität (I) vorhanden sind, entsteht eine Kraft (F). In Drehbewegungen entspricht dies dem Drehmoment. Ein Fahrzeugmotor erzeugt ein Drehmoment, das proportional zur Stärke ist. Gemäß F = m * a führt ein höheres Drehmoment zu mehr Festigkeit und Beschleunigung.

Erregungsarten bei Motoren

• Shunt-Motor (Nebenschluss): Hier ist ein Widerstand in Serie mit dem Rotor geschaltet. Die Variation von Iex ermöglicht eine Geschwindigkeitsregelung. Vorteil: Die Geschwindigkeit bleibt weitgehend konstant.
• Serienmotor (Reihenschluss): Das Drehmoment ist sehr hoch, wenn die Geschwindigkeit (n) klein ist oder gegen 0 geht. Diese Motoren wurden früher häufig in Kranen eingesetzt. Nachteil: Wenn das Drehmoment zu stark abfällt, kann die Geschwindigkeit gefährlich ansteigen.
• Compound-Motor (Doppelschluss): Eine Mischform aus beiden Typen.

Synchron- und Asynchronmaschinen

Bei Synchronmaschinen sind die Geschwindigkeiten von Rotor und Stator identisch. Ein Generator muss immer mit der Synchronisationsgeschwindigkeit des Netzes arbeiten. Synchronmotoren sind nützlich in der Automatisierung, da sie eine konstante Geschwindigkeit beibehalten.

Asynchronmotoren und Schlupf

Bei Asynchronmotoren gibt es eine Differenz zwischen den Frequenzen, den sogenannten Schlupf (S). Wenn die Last eines Asynchronmotors steigt, nimmt der Schlupf zu und der Stromverbrauch erhöht sich.

Ankerrückwirkung

Der magnetische Fluss des Induktors wird durch den Ankerstrom verzerrt. Dieses Phänomen tritt sowohl bei Motoren als auch bei Dynamos auf, wobei sich die neutrale Linie in Bezug auf die Drehrichtung verschiebt.

Funktionsprinzip des Gleichstrommotors

Ein Gleichstrommotor ist im Wesentlichen ein Dynamo, der im umgekehrten Betrieb arbeitet. Er erhält Spannung, die eine Intensität im Anker erzeugt, was zu einem elektromagnetischen Drehmoment führt. Die Drehung erzeugt wiederum eine Gegen-EMK, die der Spannung entgegenwirkt. Der Strom in der Spule wird beim Passieren der neutralen Zone durch den Kontakt der Bürsten mit dem Kollektor umgeschaltet.

Einphasen-Induktionsmotoren

Die Bedienung ähnelt der von Drehstrom-Asynchronmotoren. Zu dieser Gruppe gehören:

1. Hilfsphasenmotoren (Split-Phase)
2. Kondensatormotoren
3. Spaltpolmotoren (Kurzschluss-Schleife)

Einphasen-Kollektormotoren

Diese ähneln im Betrieb Gleichstrommotoren. Es gibt zwei Haupttypen:

• Universalmotoren
• Repulsionsmotoren

Zusammenfassung der Maschinen

Im Gegensatz zu Synchronmaschinen, die meist als Generatoren dienen, werden Asynchronmaschinen aufgrund ihrer einfachen Konstruktion meist als Motoren eingesetzt. Der Drehstrom-Asynchronmotor ist der am häufigsten verwendete Motor in industriellen Netzen.

Produktion von Wechselstrom in einer Spule

Beim Drehen einer Leiterschleife im Magnetfeld eines Elektromagneten wird eine induzierte EMK erzeugt, deren Wert sich je nach Position ändert. Die Spulenenden sind mit Ringen verbunden, an denen Bürsten den Strom abgreifen. Zur Bestimmung der Stromrichtung wird die Drei-Finger-Regel der rechten Hand angewendet. Das resultierende Drehmoment bewegt den Rotor gegen die mechanische Last.