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 bei der Magnetschwebebahn Anwendung finden.

Mechanischer Aufbau

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

Diese Bauform enthält die folgenden Elemente:

• Den Ständer oder Stator mit Spulenwicklungen
• Den Läufer oder Rotor mit Spulenwicklungen oder in sich kurzgeschlossener „Käfigwicklung“
• Die Welle
• Das (meist) zylinderförmige Gehäuse
• Die Lagerschilde mit Wellenlagern
• Die Klemmen

Wie die Namen bereits nahelegen, ist der Ständer das mechanisch ruhende, der Läufer das rotierende Element der Maschine. Der Ständer besteht prinzipiell aus aufeinandergeschichteten, formgestanzten Eisenblechen mit einer Isolierbeschichtung. Die Form der Bleche führt zu einem Hohlzylinder für den Läufer und Längs-Aussparungen für die isolierten Kupferdrahtspulen bzw. „Wicklungen“. Im fertigen Zustand sind die Wicklungen Bestandteil des Stators. Zum Schutz und zur mechanischen Befestigung hat der Stator auch ein äußeres Gehäuse. Der Sinn der Eisenblechpakete ist, durch deren Einzel-Isolierung innere energieverzehrende Wirbelströme im Eisen zu begrenzen.

Der zylindrische Läufer besteht ebenfalls aus aufeinandergeschichteten Eisenblechpaketen mit Spulenwicklungen sowie der Welle bzw. Laufachse. Bei Drehstrommotoren werden die „Wicklungen“ durch Aluminium-Druckgußverfahren als vereinfachte „Stabwicklung“ in die Läuferblechpakete eingepresst. Dabei werden gleich Kühllüfter-Lamellen mit angegossen. Es mag die Funktionsweise erhellen, dass als Läufer in einem Drehfeld auch eine leere Konservendose mit durchgesteckter Achse geeignet ist.

Das zylinderförmige Gehäuse hat an seinen Stirnseiten die Lagerschilde mit den mittig angeordneten Wellenlagern. Diese sind zumeist Kugel- oder Gleitlager; bei besonderen Bauformen werden aber auch hydraulische oder pneumatische Lagerungsverfahren angewandt.

Von den Statorspulen und eventuell dem Kommutator (siehe unten) gehen Verbindungsleitungen zu den Klemmen am äußeren Gehäuse, über die die Wicklungen an das Stromversorgungsnetz angeschlossen werden.

Funktionsprinzip

Ständerwicklung und Läuferwicklungen erzeugen bei Stromdurchfluss 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.

Allen elektrischen Maschinen ist gemein, dass in irgendeiner Weise ein Magnetfeld erzeugt wird, welches mit einem weiteren Magnetfeld wechselwirkt. 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 ausüben können.

Zum besseren Verständnis 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 übrig, 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 die Drehbewegung auf zwei Arten erzeugt werden:

1. In Drehstrommaschinen werden im Stator drei Wicklungsstränge im geometrischen Winkel von 120° kreisförmig zueinander angeordnet und jede Wicklung an je einen Leiter eines dreiphasigen Drehstromsystems angeschlossen. Da die fortlaufend veränderten Spannungen in den drei Leitern bzw. den Spulenwicklungen zeitlich um je eine Drittelperiode gegeneinander verschoben sind, ist das resultierende Magnetfeld ein Drehfeld.

Der Läufer hat Kurzschluß-Spulen in denen durch das äußere Drehfeld ein sich ebenfalls fortlaufend änderndes Gegen-Magnetfeld erzeugt wird. Die beiden Magnetfelder haben das Bestreben, sich zu einem gleichpoligen Feld zu vereinigen und üben dazu eine Kraft auf den Läufer aus, die ihn mit seinem eigenen Feld fortlaufend in Richtung des wechselnden Statorfeldes dreht.

Drehstrommaschinen werden entweder als Synchron- oder Asynchronmaschine gebaut. In der praktischen Ausführung werden meist statt nur drei Spulen jeweils Vielfache davon als Einzelspulen eingearbeitet und miteinander verbunden.

2. In Gleichstrommaschinen (auch Allstrommaschinen oder Kollektormaschinen) sind auf der Welle Schleifringe angebracht, deren metallene Lamellen-Kontaktflächen mit den Spulen des Läufers verbunden sind. Über festmontierte Schleifkontakte am Gehäuse wird den Läuferspulen Strom zugeführt. Dieses Element bezeichnet man als Kommutator, Stromwender oder Kollektor.

Mit den stromdurchflossenen Ständer-Wicklungen wird ein statisches Gleichfeld erzeugt. Die ebenfalls stromdurchflossenen Läuferwicklungen erzeugen ein eigenes Magnetfeld, dessen genaue Lage von der momentanen Lage des Läufers abhängt.
Die beiden Magnetfelder haben jetzt das Bestreben, sich zu einem gleichpoligen Feld zu vereinigen und üben dazu eine Kraft auf den Läufer aus, die ihn mit seinem eigenen Feld in Richtung des Statorfeldes dreht. Im Läufer sind jedoch mehrere getrennte Spulen angebracht, die jeweils mit eigenen Schleifring-Lamellen am Kommutator verbunden sind. Kurz bevor die beiden Felder sich zu einem statischen Feld zusammenschließen können, wird durch die Drehbewegung der Stromfluß über die Schleifkontakte auf die nächstfolgende Spule umgeleitet, deren Magnetfeld jetzt wiederum „quer“ zum Erregerfeld liegt. So wird fortlaufend eine Kraft auf den Läufer ausgeübt, die zur Drehbewegung resultiert.

Typen

Gleichstrommaschinen

Gleichstrommaschinen werden meist nach der Art der Erregung eingeteilt (Fremderregt, Nebenschluß, Reihenschluß und Doppelschluß). Die GSM können sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden.
Sonderformen:

• Unipolarmaschine, ein Generator zur Erzeugung großer Gleichströme.
• Schrittmotor

Wechselstrommaschinen

Wechselstrommaschinen sind oft genauso beschaffen wie Gleichstrommaschinen, da der gleichzeitige Spannungswechsel in Ständer- und Läuferwicklung praktisch zu der gleichen Wirkung wie „echter“ Gleichstrombetrieb führt. Diese Universalmotoren mit Kollektor haben bei Wechselstrombetrieb nicht auf der ganzen Umdrehung ein positives Drehmoment. Auf einigen Winkelgraden ist das Moment negativ. Deshalb werden diese Motoren auch Repulsivmotoren genannt. Eine Bedeutung haben sie als Fahrmotore bei Elektrolokomotiven oder als Kleinmotore in Haushaltgeräten und Werkzeugen. Während jedoch Gleichstrommaschinen wie z.B. im Auto oft für niedrige Spannungen und hohe Ströme ausgelegt werden, müssen Wechselstrommaschinen für das 230-Volt-Energieversorgungsnetz für höhere Spamnnungen, dabei aber kleinere Ströme ausgelegt werden.

Bei kleineren Wechselstrommaschinen ohne Kommutator entsteht kein Drehfeld, sondern nur ein Wechselfeld, deshalb wird z.B. mit einer zusätzlichen Wicklung und einem zusätzlichen Pol im Ständerblechpaket, sowie einem Phasenverschiebungs-Kondensator ein unvollkommenes, asymmetrisches Drehfeld erzeugt, das ausreicht, um einen Kurzschluß-Läufer zu drehen (Kondensatormotor, Spaltpolmotor).

Drehstrommaschinen

Es gibt 2 Arten von Drehstrommaschinen: Die Synchronmaschine und die Asynchronmaschine.

Asynchronmaschinen haben mit Bezug auf die Spulenschaltung „Kurzschluß“- oder Käfigläufer ohne Kommutatoren und Schleifringe. Sie funktionieren in der oben beschriebenen Weise. Kennzeichnend ist, dass der Läufer immer etwas langsamer (also asynchron) als das Drehfeld läuft, damit in ihm selbst durch die fortlaufende Magnetfeldänderung eine Gegenspannung induziert wird, die das läufer-eigene Gegen-Magnetfeld aufbaut. Sie sind ausgesprochen leistungsfähig, robust und wartungsarm.

Bei den Synchronmaschinen werden dagegen über Kommutatoren und Schleifkontakte die Läufer-Wicklungen von dem gleichen Drehstrom versorgt wie die Ständerwicklungen. Ständer- und Läufer-Magnetfeld haben daher die gleiche Drehzahl, die bewirkt, dass der Läufer genauso schnell - also synchron - wie das Erregerfeld mitläuft.

Man unterscheidet zwischen den schnelldrehenden Vollpolmaschinen (in Kraftwerken) und den Schenkelpolmaschinen. Diese drehen langsamer, da sie eine größere Polzahl haben. Sie werden z.B. in Wasserkraftwerken eingesetzt.

Eine Sonderform der Synchronmaschinen sind die Servoantriebe. Sie werden in der Automatisierungstechnik eingesetzt, wo exakt regelbare Drehzahlen gefordert werden. Sie besitzen einen Resolver zur Winkel- und Drehzahlmessung. Die Drehzahl wird mit veränderlicher Frequenz eingeprägt.

Vorkommen und Anwendung elektrischer Maschinen

Elektrische Maschinen werden verwendet zur

• Erzeugung elektrischer Energie (Generator)
• Umwandlung von elektrischer Energie (Transformator),
• zur Verrichtung mechanischer Arbeit (Elektromotor)
• als verfeinerte Form mechanischer Arbeit auch zur Steuerung von Anlagen und Geräten

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 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. Für Steuerungsaufgaben und andere Zwecke gibt es auch Maschinen mit nur wenigen Watt Leistung.