Elektrische Maschine

Der Begriff elektrische Maschine kommt aus der Elektrotechnik. Eine elektrische Maschine wandelt Energie um. Je nach Einsatz spricht man von Generatorbetrieb (Wandlung von mechanischer Energie in elektrische), oder Motorbetrieb (Wandlung von elektrischer Energie in mechanische) oder von einem Transformator (Spannungswandlung und galvanische Trennung zweier Wechselstromkreise. Transformatoren wurden früher auch als "ruhende" elektrische Maschinen bezeichnet. Diese Bezeichnung ist heute aber nicht mehr gebräuchlich. Transformatoren gehören deshalb mit zum Thema elektrische Maschinen, da sich Transformatoren und Maschinen den größten Teil der zugrundeliegenden Theorien teilen. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß innerhalb großer Transformatoren durchaus nennenswerte mechanische Kräfte auftreten können, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen. Zu den nichtrotierenden elektrischen Maschinen gehören z.B. die Linearmotoren, wie sie beispielsweise beim der Megnetschwebebahn Anwendung finden.

Mechanischer Aufbau

Elektrische Maschinen sind in den unterschiedlichsten Bauformen zu finden. Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf die gebräuchlichste Bauform für Elektromaschinen.

Diese Bauform beinhaltet die folgenden Elemente:

• Den Ständer oder Stator
• Den Läufer oder Rotor
• Die Welle
• Das -meist zylinderförmige- Gehäuse
• Lagerschilde
• Die Wellenlager
• Die Klemmen

Ständer und Läufer erzeugen das magnetische Haupt- bzw. Erregerfeld. Man unterscheidet außen- und innenerregte Maschinen. Bei Außenerregung wird das Erregerfeld im Ständer erzeugt; im Läufer wird das Hauptfeld erzeugt. Bei innenerregten Maschinen ist es umgekehrt.

Wie die Namen bereits nahelegen, ist der Ständer das mechanisch ruhende, der Läufer das rotierende Element der Maschine.

Der genaue mechanische Aufbau von Ständer und Läufer sind von der Art der Maschine abhängig.

Der Stator bildet einen Hohlzylinder, der vom Gehäuse umschlossen ist. In seinem Inneren befindet sich der zylinderförmige Läufer, in dessen geometrischer Längsachse sich die Motorwelle befindet. Das zylinderförmige Gehäuse wird an seinen Stirnseiten von den Lagerschilden abgeschlossen. In den Mittelpunkten der Lagerschilde sind die Lager angebracht, in denen die Welle gelagert ist. Dies sind zumeist Kugel- oder Gleitlager; bei besonderen Bauformen werden aber auch hydraulische oder pneumatische Lagerungsverfahren angewandt.

Außen am Gehäuse sind die Klemmen angebracht, über die die Maschine elektrische Energie mit der Umwelt austauschen kann.

Funktionsprinzip

Allen elektrischen Maschinen ist gemein, daß in irgendeiner Weise ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird, welches mit einem weiteren Magnetfeld wechselwirkt. Dabei wird das Drehfeld, über welches elektrische Energie mit der Umwelt ausgetauscht wird, als Hauptfeld bezeichnet. Das Magnetfeld, das dem Hauptfeld zur Wechselwirkung zur Verfügung steht, wird als Erregerfeld bezeichnet: Die Maschine muß zum Leben erweckt, also "erregt" werden, damit die Magnetfelder mechanische Kräfte aufeinander ausübern können.

Was ist ein Drehfeld ?

Dazu ein Gedankenexperiment:

Man stelle sich einen Hufeisenmagneten vor, zwischen dessen Polen ein Stabmagnet drehbar gelagert ist. Dreht man den Hufeisenmagneten um, so wird sich der Stabmagnet stets so ausrichten, daß sein Südpol zum Nordpol des Hufeisenmagneten zeigt und umgekehrt. Beginnt man nun, den Hufeisenmagneten kontinuierlich zu drehen, so wird der Stabmagnet dieser Drehbewegung folgen. Denkt man sich nun die Magnete weg und lässt nur die von ihnen verursachten Felder überig, so hat man ein Drehfeld. Ein solches Feld muß nun in ausnahmslos jeder elektrischen Maschine erzeugt werden, um auch eine mechanische Drehbewegung erhalten zu können. Im Generatorbetrieb geschieht das Umgekehrte: Aus einer mechanischen Drehbewegung wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches eine Drehspannung induziert.

Prinzipiell kann ein solches Drehfeld nun auf zwei Arten erzeugt werden:

- In Drehstrommaschinen werden drei (Bei mehrpoligen Maschinen auch Vielfache von drei) Wicklungsstränge im mechanischen Winkel von 120° angeordnet und jede Wicklung an je eine Phase eines Drehstromsystems angeschlossen. Das Ergebnis ist ein Drehfeld. Drehstrommaschinen sind im Allgemeinen innenerregt. Sie werden entweder als Synchron- oder Asynchronmaschine gebaut.

- In Gleichstrommaschinen (Auch Allstrommaschinen oder Kollektormaschinen) wir ein besonderes elektromechanisches Element, welches auf der Welle mitrotiert dazu verwandt, eine Art künstliches Drehstromsystem im Läufer zu erzeugen. Dieses Element bezeichnet man als Kommutator (=(Strom-)Wender) oder auch Kollektor. Die elektrische Energie wird hier über Schleifbürsten mit der Umwelt ausgetauscht. ("Bürsten" ist hierbei eine traditionelle Bezeichnung, heute finden normalerweise massive Kohlestifte verwendung). Auf Funktion und Aufbau des Kollektors soll später genauer eingegangen werden. Im Ständer einer Gleichstrommaschine wird ein Gleichfeld erzeugt, welches das Erregerfeld darstellt. Gleichtrommaschinen sind im Allgemeinen außenerregt.

Nun passiert in den Maschinen nichts anderes, als im Gedankenexperiment mit den beiden Magneten. Der Teil der Maschine, der das Erregerfeld erzeugt, übernimmt die Rolle des Stabmagneten; jener, welcher das Hauptfeld erzeugt, die des Hufeisenmagneten. Allerdings muß der Ständer nicht bewegt werden, um das Drehfeld zu erzeugen. Diese Aufgabe übernimmt das speisende Drehstromsystem zusammen mit der geometrischen Anordnung der Feldspulen in der Maschine.

Im Falle der (außenerregten) Gleichstrommaschine sind lediglich die Rollen von Stab- und Hufeisenmagnet vertauscht: Der Stabmagnet wird gedreht, und der Hufeisenmagnet folgt ihm.

Typen

Gleichstrommaschinen

Gleichstrommaschinen sind hauptsächlich Gleichstrommotoren.

Eine Sonderform ist die Unipolarmaschine, ein Generator zur Erzeugung großer Gleichströme.

Wechsel- und Drehstrommaschinen

Unter den Wechselstrommaschinen sind haupsächlich Transformatoren und Drehstrommaschinen hauptsächlich Generatoren und Drehstrommotoren.

Vorkommen und Anwendung elektrischer Maschinen

Ohne elektrische Maschinen würden die Menschen im Dunkeln hocken oder vor eine Flamme in Form einer Kerze, Lagerfeuer oder Öllampe oder ihre Elektrogeräte mit chemischer Spannung (Batterie) betreiben. Doch glücklicherweise haben Leute, wie Werner von Siemens und andere die Menschen davor bewahrt.

Schon bei der Generierung des wichtigsten Element (elektrischer Strom) unserer Zivilisation sind elektrische Maschinen in Form von Generatoren im Einsatz. Die auf 50 oder 60 Hz synchronisierte Wechselspannung wird meist in dreifacher Ausführung mit einer 120 Grad Phasenverschiebung erzeugt (Drehstrom).

Um den Strom möglichst verlustfrei zum Konsumenten zu bringen haben haben die Energieversorgungsunternehmen zwei Möglichkeiten:
1.) sie verlegen eine Leitung mit sehr großen Durchschnitt (A), um den Widerstand der Leitung so klein wie möglich zu halten. Der Widerstandswert kann nach R₂₀=ρ·l/A reduziert werden.
2.) oder sie verwenden eine stehende elektrische Maschine, die ein Hilfsmittel für die Erkenntnis des Herrn Ohm mit seinem elektrischen Widerstandes ist. Mathematisch physikalisch lässt dies in etwa so erklären:

• P=U*I und
• U=R*I <=> I=U/R und beides zusammen
• P=U*U/R

Die schließliche Erkenntnis, dass die gleiche Menge Energie mit gleichem Widerstandwert (d.h. gleichem Leitungsquerschnitt) mit der Erhöhung der Spannung transportiert werden kann, dachten die Energieversorgungsunternehmen die Zweite ist die Bessere zudem billigere und verwenden Transformatoren um die Sparmaßnahmen umzusetzen.

Anders sieht es nun beim Verbraucher aus, würden diese die hochtransformierte Spannung mit ihren Geräten verwenden, gibt es auch hier zwei Möglichkeiten, das Gerät löst sich in Rauch auf oder bleibt qualmend nichtstuent stehen. Also transformiert eine stehende elektrische Maschine die Spannung wieder runter. Mit der kleineren Spannung betreiben nun die Menschen Ihre elektrischen Maschinen oder sonstige Geräte die Strom verbrauchen (hauptsächlich Unterhaltungsgeräte: Computer, ...).

Baugrößen

Die größten elektromagnetischen Energiewandler sind Kernkraftwerksgeneratoren (Synchronmaschinen) mit bis zu 1800 MW (in Entwicklung) bzw. 1600 MW (in Betrieb). Die größten Asynchronmaschinen sind die Speisewasserpumpen von Kernkraftwerken mit Nennleistungen von 10 bis 25 MW und die beiden Asynchron-Motor-Generatoren des Pumpspeicherwerkes Goldisthal/BRD mit einer Leistung von je 325 MW mit variabler Drehzahl. Typische Mittelmaschinen im Industrieeinsatz haben Nennleistungen im Bereich von 10 bis 500 kW. Im Privathaushalt (z.B. Küchengeräte, Staubsauger etc.) sind Motorenleistungen von 100 W bis 2 kW üblich.