elektrische Maschinen

elẹktrische Maschinen,

 

Arten von Energiewandlern, deren Funktion auf den Gesetzen des Elektromagnetismus, besonders der elektromagnetischen Induktion, beruht. Im weiteren Sinn gehören dazu auch die Transformatoren (ruhende elektrische Maschinen); im engeren Sinn versteht man darunter rotierende Maschinen, die mechanische Energie in elektrische Energie (Generator) oder elektrische Energie in mechanische Energie (Elektromotor) sowie auch elektrische Energie einer Art in solche anderer Art (Umformer, Motorgenerator, Frequenzumformer) umformen. Die meisten elektrischen Maschinen können als Generatoren und als Motoren verwendet werden. Nach der Stromart unterscheidet man Gleichstrom-, Drehstrom- und Einphasenwechselstrommaschinen. Nach Aufbau und Wirkungsweise sind zu unterscheiden: unipolare und kommutierende Gleichstrommaschinen, Synchron-, Asynchron- und Kommutatormaschinen.

 

Für den Aufbau elektrischer Maschinen werden dreierlei Arten von Stoffen verwendet: elektrische Leiter zur Führung des Stromes, Isolierstoffe, die ein Austreten des elektrischen Stromes aus dem Leiter verhindern, und Eisen zur Führung des magnetischen Feldes. Im Bereich magnetischer Wechselflüsse ist der Eisenkörper aus isolierten Dynamoblechen aufgebaut, um die Wirbelstromverluste klein zu halten.

 

Elektrische Maschinen bestehen aus einem fest stehenden Ständer (Stator) und einem rotierenden Läufer (Rotor). Ihre Wirkungsweise beruht auf der elektromagnetischen Induktion und auf der Kraftwirkung zwischen dem Magnetfeld und stromdurchflossenen Leitern (Elektrizität). Das magnetische Feld, das für den Betrieb von elektrischen Maschinen notwendig ist, wird bei Gleichstrom- und bei Synchronmaschinen meist durch ein mit Gleichstrom erregtes Polsystem aufrechterhalten. Bei kleinen elektrischen Maschinen kann das Polsystem auch aus Dauermagneten (Permanentmagneten) bestehen. Bei Asynchronmaschinen (Induktionsmaschinen) wird das magnetische Feld durch die von Drehstrom durchflossene Ständerwicklung als Drehfeld vom speisenden Netz aus erregt. Das magnetische Feld induziert in der Ankerwicklung eine elektrische Spannung, die beim Generator die erzeugte elektrische Spannung darstellt und beim Elektromotor gemeinsam mit den Spannungsabfällen in seinen Wicklungen der Netzspannung das Gleichgewicht hält. Die Kräfte des magnetischen Feldes auf die stromdurchflossenen Leiter erfordern beim Generator das notwendige Antriebsmoment und bewirken beim Elektromotor das an der Welle abzugebende Drehmoment.

 

Gleichstrommaschinen:

 

Unipolare Gleichstrommaschinen (Unipolarinduktion) haben zurzeit im Bereich der Technik nur eine geringe Bedeutung. Kommutierende Gleichstrommaschinen (Gleichstrommaschinen im engeren Sinn) werden als Außenpolmaschinen gebaut, d. h., das Magnetsystem mit den Polen und der Erregerwicklung befindet sich im Ständer. Dreht sich der Läufer im magnetischen Feld des Polsystems, so wird in den Spulen der Ankerwicklung eine Wechselspannung induziert, die an fest stehenden Bürsten, die auf dem mit der Ankerwicklung verbundenen Kommutator schleifen, als Gleichspannung abgegriffen werden kann.

 

Dreh-

 

und Wechselstrommaschinen: Die Synchronmaschine für Drehstrom oder einphasigen Wechselstrom wird meist als Innenpolmaschine gebaut, d. h., das Magnetsystem mit den (durch Gleichstrom erregten oder als Dauermagnete ausgeführten) Polen und der Erregerwicklung befindet sich im Läufer. Die Ankerwicklung befindet sich dabei im Ständer; sie kann als Drehstrom- oder Einphasenwicklung ausgeführt sein. Es wird eine elektrische Spannung induziert, deren Frequenz starr an die Drehzahl gebunden ist. Nach Vorbeilauf eines Polpaares an irgendeiner Stelle der Ankerwicklung ist eine Periode der induzierten Wechselspannung abgelaufen. Um eine Wechselspannung von 50 Hz zu erzeugen, muss eine zweipolige Synchronmaschine 50 Umdrehungen je Sekunde oder 3 000 Umdrehungen je Minute ausführen. Bei einer übermäßigen Belastung »kippt« die Synchronmaschine aus dem Synchronismus, sie »fällt aus dem Tritt« (Kippmoment).

 

Bei der Asynchronmaschine oder Induktionsmaschine befinden sich im Ständer und Läufer verteilte Wicklungen, die von Drehstrom, seltener von einphasigem Wechselstrom durchflossen sind. Die Läuferwicklung kann eine dreiphasige Drehstromwicklung sein, die an Schleifringe geführt ist (Schleifringläufer, Phasenanker), oder eine Käfigwicklung (Kurzschluss- oder Käfigläufer). Die Asynchronmaschine wird überwiegend als Motor betrieben. Im Generatorbetrieb wird der Läufer mit einer ein wenig höheren Drehzahl angetrieben, als der Umlaufgeschwindigkeit des Ständerdrehfeldes (Schlupf) entspricht. Im Motorbetrieb wiederum liegt die Drehzahl etwas unterhalb der synchronen Drehzahl des Drehfeldes. Diese elektrische Maschine läuft somit »asynchron«. Dem Drehzahlunterschied zwischen Drehfeld und Läufer, der Schlupfdrehzahl, entspricht eine in der Läuferwicklung induzierte schlupffrequente Spannung (daher der Name Induktionsmaschine), die für das Betriebsverhalten von Bedeutung ist. Bei übermäßiger Belastung kann die Asynchronmaschine aus dem stabilen Betriebsbereich »kippen«. - Drehstrom-Kommutatormaschinen sind Drehstrommaschinen, die im Läufer einen Kommutator (Stromwender) besitzen. Sie werden als Motoren (Elektromotor) oder als Frequenzumformer (Frequenzwandler) verwendet.

 

Literatur:

 

E. H. Lämmerhirdt: E. M. u. Antriebe (1989);

 R. Fischer: E. M. (⁸1992);

 Germar Müller: Grundlagen elektrischer M. (1994);

 Germar Müller: Theorie elektrischer M. (1995).