Elektrische Maschinen: Grundlagen, Typen und Funktionsweise

Elektrische Maschinen: Eine Einführung

Eine elektrische Maschine ist im Allgemeinen ein Mechanismus zur Erzeugung, Nutzung oder Umwandlung von elektrischer Energie.

Grundlegende Konzepte

Magnetfeld: Ein Magnetfeld ist ein Bereich im Raum, der durch einen Magneten oder einen elektrischen Strom erzeugt wird und auf andere magnetische Materialien oder bewegte Ladungen wirkt.

Magnetfluss: Der Magnetfluss ist eine skalare Größe, die die Anzahl der magnetischen Feldlinien beschreibt, die durch eine bestimmte Fläche verlaufen.

Faradaysches Gesetz: Der Wert der induzierten elektromotorischen Kraft hängt von der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses durch die von der Schaltung begrenzte Fläche und der Anzahl der Windungen ab.

Foucaultsche Ströme: Foucaultsche Ströme sind elektrische Ströme, die durch Induktion in massiven Leitern entstehen, wenn sich der magnetische Fluss durch sie ändert.

Klassifizierung elektrischer Maschinen

Elektrische Maschinen können in statische (z.B. Transformatoren) und rotierende Maschinen (z.B. Generatoren und Motoren) unterteilt werden. Rotierende Maschinen bestehen aus einem Rotor und einem Stator, die durch einen Luftspalt getrennt sind.

Sortierung: Elektrische Maschinen können nach Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) sowie nach synchronen und asynchronen Typen klassifiziert werden.

Gleichstrommotoren (DC-Motoren)

DC-Motoren können als Motoren oder Generatoren verwendet werden. Der Stator erzeugt das Magnetfeld. Die Pole sind in gerader Anzahl vorhanden und die Erregungswicklung ist um sie gewickelt. Der Rotor ist ein zylindrisches, geschlitztes Teil, das die Ankerwicklung aus Kupferspulen enthält. Der Kollektor besteht aus einer Reihe von dünnen Kupfersegmenten, die sich mit dem Rotor drehen. Die Bürstenhalter und Graphitbürsten stellen einen festen elektrischen Kontakt zwischen der Ankerwicklung und den Anschlüssen her.

Wechselstrommotoren (AC-Motoren)

AC-Motoren (Asynchronmotoren) bestehen aus einem Stator (einem festen Teil aus isolierten magnetischen Blechen mit einer Wicklung in den Nuten) und einem Rotor (einem rotierenden Teil mit Wicklungen). Es gibt zwei Haupttypen von Rotoren:

• Käfigläufer: Die Läuferwicklung besteht aus Aluminium- oder Kupferstäben, die an ihren Enden durch zwei Ringe verbunden sind. Diese Bauweise ist einfach und robust, hat aber ein geringes Anlaufdrehmoment und einen hohen Anlaufstrom.
• Schleifringläufer: Die Wicklungen sind in den Nuten des Rotors angeordnet und an drei Schleifringe angeschlossen. Die freien Enden der Kupferwicklungen sind mit den Schleifringen verbunden, die sich mit der Welle drehen. Über Bürsten kann ein externer Widerstand in den Rotorstromkreis geschaltet werden, um das Anlaufverhalten zu verbessern.