Polpaar

Die Polpaarzahl ist die Anzahl der Paare von magnetischen Polen innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen.

Grundlagen

Asynchronmaschine mit der Poolpaarzahl p=1 und 3 Strängen

Asynchronmaschine mit der Poolpaarzahl p=2 und 3 Strängen; die Diagramme zeigen die Feldstärke im Luftspalt

Bei Drehfeldmaschinen wurde für die Definition der Polpaarzahl eine Analogie zur Gleichstrommaschine gesucht. Deshalb wird die Bezeichnung Polpaarzahl als Namensgebung bei den Drehfeldmaschinen von den Gleichstrommaschinen abgeleitet. Da magnetische Pole nur paarweise auftreten können, ist die kleinste Polpaarzahl p=1 (1 Nordpol + 1 Südpol). Adäquat dazu wird die Polzahl mit 2p bezeichnet. Eine vierpolige Maschine besitzt somit zwei Polpaare. Der Abstand zwischen zwei Nachbarspulen wird als Polteilung bezeichnet. Gemessen wird dabei von Polmitte zu Polmitte. Je höher die Polpaarzahl ist, umso enger liegen die Spulen beieinander. Dies hat einen großen Einfluss auf das Verhalten des Luftspaltfeldes. Obwohl Drehstrommaschinen mindestens drei Spulen besitzen und es sich hierbei eigentlich um ein sogenanntes Spulentriple handelt, werden diese drei Spulen trotzdem als Polpaar oder Spulenpaar bezeichnet, denn deren Magnetfeld überlagert sich zu einem rotierenden Summenfeld. Maschinen erhalten immer entsprechend ihrer Polpaarzahlen eine entsprechende Menge an Spulen.

Beispiel: Ein 4-poliger Drehstromasynchronmotor hat also 2 Polpaare mit jeweils 3 Spulen, also insgesamt 6 einzelne Spulen.

Polpaarzahl und Luftspaltfeld

Das Luftspaltfeld erhält pro Polpaar eine volle Kosinusschwingung. Allerdings bewegt sich die Welle während des Durchlaufs einer elektrischen Periode nicht über den gesamten Umfang. Sie bewegt sich nur über den jeweiligen Sektor, welcher von einem Spulentriple eingenommen wird.

Bei einer Polpaarzahl von p=1 bewegt sich die Welle des Luftspaltfeldes somit exakt innerhalb einer elektrischen Periode eine komplette Umdrehung über den Umfang der Maschine. Bei einer Polpaarzahl von p=4 bewältigt das Luftspaltfeld gerade mal ein Viertel des Umfanges innerhalb einer Periode. Somit werden vier Perioden benötigt um den vollen Umfang zu durchlaufen.

Polpaarzahl und Drehzahl

Neben der Netzfrequenz bestimmt die Polpaarzahl die Drehfelddrehzahl einer Drehfeldmaschine. Die Drehfelddrehzahl n_s lässt sich wie folgt ermitteln:

$n_\text{s} = \frac{f \, \mathrm \cdot 60}{\mathrm p}$

Da die maximale Drehfelddrehzahl bei einer Netzfrequenz von 50 Hz exakt 3000 ¹/_min beträgt, lässt sich anhand der auf dem Leistungsschild angegebenen Drehzahl ermitteln, wievielpolig die Maschine ist.

Beispiel: Eine 2-polige Maschine dreht bei 50 Hz demnach mit 3000 ¹/_min.

Polpaarzahl und Drehmoment

Die Erhöhung der Polpaarzahl lässt sich mit dem Einfügen einer Übersetzung bei einem Getriebe vergleichen. Somit führt eine Erhöhung der Polpaarzahl zu einer Verringerung der Drehzahl. Vernachlässigt man die maschineninternen Verluste, muss folglich die eingespeiste Wirkleistung vollständig an der Maschinenwelle als mechanische Leistung abgegeben werden. Da die Umdrehungszahl (mechanische Rotationsfrequenz) durch die Erhöhung der Polpaarzahl entsprechend herabgesenkt wurde, ergibt sich die mechanische Leistung aus:

$P_\text{mech} = 2\cdot \pi\cdot n\cdot M$

Bei gleichbleibender abgegebener mechanischer Leistung muss sich folglich bei der Erhöhung der Polpaarzahl und daraus erfolgender Verringerung der Drehzahl auch das Drehmoment erhöhen. Eine Drehmomentensteigerung wird somit erreicht, wenn man der Polpaarzahl entsprechend viele Spulentriples im Stator verteilt. Dadurch erhält die Maschine immer ein ganzzahliges Vielfaches von drei Spulen.

Literatur

• Dierk Schröder: Elektrische Antriebe. Grundlagen. 3. Auflage. Springer-Verlag GmbH, Berlin 2007, ISBN 978-3-5406-6846-6. 
• Anatol Farschtschi: Elektromaschinen in Theorie und Praxis. Vde Verlag GmbH, 2001, ISBN 978-3-8007-2563-2. 
• Karl Falk: Der Drehstrommotor: Ein Lexikon für die Praxis. Vde-Verlag, Berlin und Offenbach 1997, ISBN 978-3-8007-2078-1.