Grundlagen elektrischer Maschinen: Generatoren und Motoren

Erzeugung von Wechselstrom in einer Spule

Wenn sich eine Spule in einem Magnetfeld dreht, entsteht eine induzierte Spannung. Jeder Spulenanschluss ist mit einem Metallring verbunden, wobei zwei Bürsten den induzierten Strom abgreifen und an den externen Stromkreis weiterleiten. Die Richtung der induzierten Spannung wird üblicherweise mit der Drei-Finger-Regel bestimmt.

Gleichrichtung durch den Kommutator

Um Wechselstrom in Gleichstrom (DC) umzuwandeln, wird ein Kommutator verwendet. Dieser besteht aus isolierten Lamellen, die mit zwei Bürsten verbunden sind. Obwohl der Strom in der Spule wechselt, sorgt der Kommutator für einen stetigen Gleichstrom am Ausgang. Durch die Verwendung von mehr Spulenwicklungen wird der Stromfluss geglättet.

Wendepolwicklung

Bei leistungsstarken Maschinen wird eine Wendepolwicklung in die Nuten des Ankers eingebracht, um Verzerrungen des Magnetfeldes zu beseitigen. Sie ist in Reihe mit dem Anker geschaltet.

Aufbau eines Dynamos

Die Grundkomponenten eines Dynamos sind der Induktor, der Anker und der Kollektor:

• Induktor (Stator): Ein feststehender Elektromagnet (bipolar oder multipolar).
• Anker (Rotor): Ein beweglicher Teil aus gestapelten magnetischen Platten.
• Kollektor: Kupferlamellen zur Stromabnahme mittels Graphitbürsten.

Magnetkreis und Ankerrückwirkung

Der magnetische Fluss verläuft durch die Polschuhe, den Anker und das Gehäuse. Der Luftspalt zwischen Polschuhen und Anker muss minimiert werden. Die Ankerrückwirkung erzeugt ein Quermagnetfeld, das zu Funkenbildung an den Bürsten führen kann. Lösungen sind die Verschiebung der Bürsten oder der Einsatz von Wendepolen.

Erregung der Induktion

• Fremderregung: Die Spule wird aus einer externen Quelle (z. B. Batterie) gespeist.
• Selbsterregung: Unterteilt in Shunt-, Serien- und Verbunderregung (Compound).

Grundprinzip und Aufbau von Gleichstrommaschinen

Die Funktion basiert auf den Lorentzkräften, die auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld wirken. Eine Gleichstrommaschine besteht aus dem Induktor-Stromkreis, dem Anker-Stromkreis und dem Kollektor mit Bürsten.

Leistung und Drehmoment

Verluste entstehen durch den Joule-Effekt (Widerstand), Reibung, Lüftung und Hysterese. Das Drehmoment ist proportional zum Ankerstrom und dem magnetischen Fluss.

Anschlussarten von Gleichstrommotoren

• Nebenschlussmotor (Shunt): Drehzahl bleibt bei Last nahezu konstant.
• Serienmotor: Hohes Anlaufdrehmoment, Gefahr des Durchgehens im Leerlauf.
• Verbundmotor (Compound): Kombination aus Serie und Parallel, stabil im Betrieb.

Generatorprinzip

Der Betrieb basiert auf elektromagnetischer Induktion. In der Praxis rotiert das Magnetfeld (Induktor), während die Leiter feststehen.

Aufbau eines Generators

Der Generator besteht aus dem Induktorkreis (Elektromagnete) und dem Ankerkreis (drei um 120° versetzte Phasen). Die Erregung erfolgt meist über einen Hilfsgenerator oder eine Gleichrichterbrücke.

Frequenz und 21.4 Kopplung

Die Frequenz ist proportional zur Drehzahl und Polpaarzahl. Für die Parallelschaltung von Generatoren müssen Spannung, Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage übereinstimmen.

Drehstromasynchronmaschine

Diese Motoren sind aufgrund ihrer Robustheit in der Industrie weit verbreitet. Das rotierende Magnetfeld induziert im kurzgeschlossenen Rotor (Käfigläufer) einen Strom, der ein Drehmoment erzeugt. Der Rotor erreicht nie die Synchrondrehzahl (Schlupf).

Einphasenmotoren

Da ein einphasiges Wechselfeld kein Drehmoment zum Anlaufen erzeugt, benötigen diese Motoren Hilfsvorrichtungen (z. B. manuelles Anstoßen oder Hilfswicklungen), um den Rotor in Drehung zu versetzen.