Streufluß

Darstellung des Streuflusses: Jener magnetische Flussanteil welcher von der Schleife 1 ausgeht und nicht durch die Schleife 2 hindurchtritt, wird als Streufluss bezeichnet.

Der Streufluss (engl. magnetic leakage flux), oder auch magnetischer Streufluss mit dem Formelzeichen Φ, ist ein Begriff aus der Elektrotechnik und beschreibt einen Teil des magnetischen Flusses welcher bei einer Anordnung von zwei oder mehr Leiterschleifen und deren magnetischen Kopplung auftreten kann.

Allgemeines

Durch eine räumlich benachbarte Anordnung von zwei oder mehr Leiterschleifen, diesen werden in der Technik beispielsweise in Form von Spulen realisiert und auch als Windungen bezeichnet, treten bei einem Stromfluss I in einer Leiterschleife im Bezug zu den anderen Leiterschleifen Gegeninduktivitäten auf. Der sich zeitlich ändernde magnetische Fluss verursacht, beschrieben durch das Induktionsgesetz, in den Spulen eine elektrische Spannung bzw. bei geschlossenen Leiterschleifen einen elektrischen Strom.

Im Idealfall ist die magnetische Kopplung zwischen den einzelnen Spulen perfekt: Der komplette magnetische Fluss von der erzeugenden Leiterschleife durchdringt alle anderen benachbarten Leiterschleifen.

Da der magnetische Fluss immer durch in sich geschlossene Flussdichtelinien beschrieben wird, man drückt diesen Umstand in der Feldtheorie durch ein quellenfreies Vektorfeld aus, ist auch der magnetische Fluss immer in sich geschlossen und es gibt keine Quellen oder Senken. In praktisch realisierbaren Anwendungen kommt es durch diesen Umstand und den zwangsläufig notwendigen räumlichen Abstand von mehreren Leiterschleifen zu einem magnetischen Fluss welcher von einer Leiterschleife verursacht wird, aber nicht durch die anderen, benachbarten Leiterschleifen hindurchtritt. Dadurch trägt dieser als Streufluss bezeichnete Anteil nichts zur magnetischen Kopplung der Leiterschleifen untereinander bei und ist daher als eine Art „Fluss-Verlust“ zu verstehen. Der Streufluss ist in nebenstehender Abbildung durch die dünn eingezeichneten, äußeren Flusslinien schematisch skizziert, welche durch Schleife 1 erzeugt werden, aber nicht durch Schleife 2 hindurchtreten.

Streuinduktivität

Der Begriff der Streuinduktivität beschreibt jene Induktivitätsanteil, welcher bei magnetisch gekoppelten Systemen durch den Streufluss gebildet wird. Die Streuinduktivitäten, meist als L_s oder L_σ bezeichnet, spielen beispielsweise im Modell des Transformators eine wesentliche Rolle. Die Streuinduktivität wird mit denselben Verfahren und Methoden wie jede andere Induktivität bestimmt, nur dass dabei ausschließlich der Streufluss Φ_s berücksichtigt wird.

Technische Anwendung

Magnetisch gekoppeltes Spulenpaar

Bei Transformatoren ist der Streufluss ein wesentliches Kriterium. Es wird dabei zur Maximierung des Wirkungsgrades bei der Leistungsübertragung durch konstruktive Maßnahmen versucht, den Streufluss klein zu halten. Dies bedingt eine räumlich enge Anordnung der einzelnen Windungen.

Eine weitere technische Verbesserung wird durch den Einsatz von Werkstoffen mit hoher magnetischer Leitfähigkeit im so genannten Kern des Transformators erreicht: Dadurch kann der Fluss großteils im magnetisch gut leitfähigen Kernmaterial gezielt durch die einzelnen Windungen hindurch geführt werden. Der Streufluss wird somit durch das Vorhandensein des Eisenkerns stark beeinflusst. Der Streufluss wird deswegen durch diese Maßnahme minimiert, da die meist umgebende Luft, ähnlich wie Vakuum, nur eine relativ schlechte magnetische Leitfähigkeit aufweist und somit ein Grossteil des magnetischen Flusses im magnetischen Eisenkern geführt werden kann. Die geringe magnetische Leitfähigkeit von Vakuum wird auch als Vakuumpermeabilität bezeichnet und ist eine Naturkonstante.

Je nach geometrischer Gestaltung des Kernes und den magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials, kann der Streufluss sehr klein gehalten werden, wie dies beispielsweise bei Ringkerntransformatoren der Fall ist. Transformatoren welche hingegen gar kein Kernmaterial besitzen, diese werden auch als „Lufttransformator“ bezeichnet, weisen daher einen vergleichsweise hohen Streufluss auf. Dies bedingt einen niedrigen Wirkungsgrad bei der Leistungsübertragung weshalb praktisch alle zur Leistungsübertragung eingesetzten Transformatoren entsprechende Kernmaterialen besitzen.

Bei speziellen Transformatoren wie den Streufeldtransformatoren wird der Streufluss bewusst eingesetzt um die übertragene elektrische Leistung zwischen den einzelnen Windungen derart zu gestalten, dass näherungsweise ein Konstantstromverhalten am Ausgang entsteht. Diese Möglichkeit findet beispielsweise bei einfachen Schweißtransformatoren Anwendung.

Die Streuflusshöhe sagt etwas über die Höhe der Kurzschlussspannung aus. Je größer der Streufluss, desto größer die Kurzschlussspannung und desto geringer die sekundärseitige Spannungssteifigkeit.

Literatur

• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 2000, ISBN 3-8171-1628-4
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3