Grundlagen elektrischer Maschinen

Elektrische Maschinen

Aus elektromagnetischer und mechanischer Sicht lassen sich elektrische Maschinen wie folgt beschreiben:

Elektromagnetische Grundlagen

Die elektromagnetische Funktionsweise basiert auf zwei Systemen:

• Induktorsystem: Erzeugung der erforderlichen Amperewindungen.
• Induziertes System: Reflektion des Flusses sowie Erzeugung von Strom oder mechanischer Energie.

Mechanische Klassifizierung

Mechanisch werden Maschinen in rotierende und statische Typen unterteilt:

• Rotierende Maschinen: Bestehen aus einem festen Teil (Stator) und einem beweglichen Teil (Rotor), getrennt durch den Luftspalt. Beispiele: Dynamos, Motoren und Generatoren.
• Statische Maschinen: Transformatoren.

Aufbau einer rotierenden Maschine

Induktorsystem

Besteht aus Induktorkernen (Polen), die das magnetische Feld führen. Die Pole unterteilen sich in den Kern und die Polschuhe. Spulen erzeugen das Magnetfeld, während das Joch den magnetischen Kraftlinienfluss abschließt.

Induziertes System

• Anker: Besteht aus den Leitern, in denen die elektromotorische Kraft (EMK) induziert wird.
• Kollektor: Ein zylindrischer Teil aus isolierten Kupfersegmenten, der mit den Enden der Ankerwicklung verbunden und fest auf der Drehachse montiert ist.
• Bürsten: Feste Kontakte, die auf der Oberfläche des Kollektors schleifen, um den Strom abzugreifen oder zuzuführen.

Motoren

Da der elektromagnetische Effekt reversibel ist, können Gleichstrommaschinen auch als Motoren betrieben werden. Man unterscheidet zwischen fremderregten und selbsterregten Motoren. Die Netzspannung interagiert mit der im Anker erzeugten Gegenelektromotorischen Kraft (G-EMK), was den Stromfluss und die Drehzahl bestimmt.

Motortypen:

• Fremderregt: Feldwicklung und Ankerwicklung sind getrennt angeschlossen.
• Nebenschlussmotor: Feldwicklung parallel zum Anker.
• Reihenschlussmotor: Feldwicklung in Reihe zum Anker.
• Verbundmotor (Compound): Kombination aus Reihen- und Nebenschluss.

Dynamos

Dynamos arbeiten mit Permanentmagneten oder Elektromagneten. Die Erregung erfolgt entweder fremderregt oder selbsterregt.

• Grundformel: E = K · Φ · n (wobei K von der Bauart abhängt, Φ der magnetische Fluss und n die Drehzahl in U/min ist).
• Fremderregung: Induktor- und Ankerstromkreis sind vollständig voneinander getrennt.