Drehstrommaschine

Eine Drehstrommaschine wandelt mechanische Energie in Drehstrom oder Drehstrom in mechanische Energie um. Sie kann als elektrischer Generator oder als Elektromotor betrieben werden. Als Drehstrommotor wird ein Elektromotor bezeichnet, der mit Dreiphasenwechselstrom betrieben wird.

Grundprinzip

Verlauf der drei Spannungen in einem Dreiphasensystem

Im Kreis angeordnete Spulen am Dreileitersystem.
Die Ausgangsleitungen der Spule können gemeinsam zusammengeschaltet werden, weil bei symmetrischer Belastung die Summe der Ströme immer Null ist.

Drehstrommotoren werden mit Dreiphasenwechselstrom bzw. „Drehstrom“ betrieben. Diese Stromart führt in drei getrennten Leitern jeweils eine eigene periodisch wechselnde Spannung, deren zeitliche Abläufe gegenüber den anderen beiden Leiterspannungen um jeweils 120° vor- bzw. nachlaufend versetzt sind.

Speist man drei Elektromagnet-Spulen mit jeweils einer Leiterspannungsphase des Drehstromsystems, dann wird in jeder Spule ein Magnetfeld erzeugt, dessen zeitlicher Ablauf genauso wie der Spannungsverlauf gegenüber den anderen Spulenfeldern um eine Drittelperiode versetzt ist.

Ordnet man diese drei Spulen in einem Kreis zueinander an, so ergibt sich aus den einzelnen Spulenmagnetfeldern ein summiertes Magnetfeld, das zwar von gleichbleibender Größe ist, seine Richtung jedoch exakt im Einklang mit der Frequenz bzw. der Periodenwiederholung des Drehstromes fortlaufend ändert. Dieses summierte Magnetfeld „dreht“ sich exakt mit der Geschwindigkeit, die durch die Frequenz vorgegeben ist. Bei 50 Periodenwechseln pro Sekunde des Drehstroms (bzw. 50 Hz) dreht sich das Magnetfeld ebenfalls 50 mal in der Sekunde (entsprechend 3000 mal in der Minute) um sich selbst.

Bringt man in dieses rotierende Magnetfeld an einer mittig angeordneten Achse einen magnetischen Gegenstand ein, beispielsweise einen Stabmagneten oder einen einfachen Eisenkörper, so wird dieser „Rotor“ mitgedreht.

Bauarten

Das Grundprinzip wird zur Verbesserung der Effizienz und Praxistauglichkeit abgewandelt, wozu vor allem die Anordnung der Spulen und die Verwendung von Eisenkernen zur Verstärkung des Magnetfeldes gehören.

Synchronmaschine

→ Hauptartikel: Drehstrom-Synchronmaschine

Da der Läufer immer synchron mit dem Statordrehfeld läuft, nennt man diese Maschinen Drehstrom-Synchronmaschinen.

Die Effizienz des Drehfeldmotors wird durch die Ausstattung des Rotors mit eigenen Spulen erhöht, in denen durch den Stromfluss ebenfalls ein magnetisches Feld entsteht, das mit dem Feld der drei festen (Stator-)Spulen zusammenwirkt. Der Rotor, auch Läufer genannt, ist ein Polrad (mind. ein Polpaar) oder ein Vollpolläufer, der eine Erregerwicklung trägt. Wird diese Erregerwicklung von außen über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist, erzeugt sie ein Magnetfeld.

Asynchronmaschine

→ Hauptartikel: Drehstrom-Asynchronmaschine

Bei der Asynchronmaschine bestehen die Spulen im Rotor (Läufer) aus kurzgeschlossenen Leiterschleifen. Für den Asynchronmotor findet daher auch die Bezeichnung Kurzschlussläufermotor Verwendung. Durch das sich ändernde Magnetfeld des Stators wird in den kurzgeschlossenen Leiterschleifen des Rotors ein Stromfluss und ein daraus resultierendes Magnetfeld induziert, das dem verursachenden Magnetfeld entgegen gerichtet ist. Die resultierenden Kräfte üben ein Drehmoment auf den Rotor aus. Lässt man das Statorfeld rotieren, 'schleppt' dieses den Rotor aufgrund oben beschriebener Wirkung mit. Zwangsläufig muss sich der Rotor geringfügig langsamer drehen als das Statordrehfeld (Schlupf), damit das dem Induktionsgesetz zugrunde liegende Prinzip, nämlich die Veränderung des Magnetfeldes pro Zeit, erfüllt bleibt. Bei Gleichlauf von Rotor und Drehfeld findet keine Induktion mehr statt, das übertragbare Drehmoment ist Null.

Anders ausgedrückt: Voraussetzung ist, dass der Rotor geringfügig langsamer drehen muss als das Statordrehfeld, damit sich das Magnetfeld innerhalb des mitdrehenden Rotors ständig ändert, was wiederum die Voraussetzung für die Induktion von elektrischer Spannung in den Rotorleitern ist. Eine Ausnahme stellt der Reluktanzmotor dar, dessen Läufer synchrone Drehzahl erreicht.

Das Prinzip des Kurzschlussläufer-Rotors lässt sich extrem vereinfachen zu einem rein metallischen Gegenstand, der nicht aus Eisen sein muss. Dies funktioniert beispielsweise mit einer Konservendose, durch die eine Achse in Längsrichtung führt. Diese Wirkung ergibt sich daraus, dass diese Dose (oder andere metallische Gegenstände von passender Größe) praktisch ein Paket von kurzgeschlossenen Leiterschleifen in unendlich großer Zahl darstellen (Ferrarisläufer).

Diese Vereinfachungsmöglichkeit lässt eine vergleichsweise sehr kostengünstige Herstellung sowie auch eine weitgehende Wartungsfreiheit von Drehstrom-Asynchronmotoren zu und hat zu der weiten Verbreitung geführt.

Durch die Anwendung eines Frequenzumrichters, teilweise schon im Gehäuse integriert, kann die Drehzahl fast wie bei Universalmotoren variiert werden.

Drehrichtungsumkehr

Zur Änderung der Drehrichtung muss der Drehsinn des Ständerdrehfeldes geändert werden, beim Betrieb am Drehstromnetz genügt hierzu das Vertauschen zweier Außenleiter, z. B. Außenleiter L1 und L3. Eine übliche Schaltungen dazu ist die Wende-Schützschaltung.

In der praktischen Anwendung werden die Motorklemmen U2, V2 und W2 gebrückt und

• beim rechten Drehfeld: L1 an U1, L2 an V1 und L3 an W1
• beim linken Drehfeld: L1 an W1, L2 an V1 und L3 an U1

Spulenanordnung des Stators

Die Wirkung der drei Spulen lässt sich vervielfachen, indem sie jeweils paarig gegenüberliegend und in größerer Zahl über den Umfang des Statorkörpers verteilt werden. Wird jedes Spulenpaar direkt von dem Dreiphasenstrom mit der Netzfrequenz f gespeist, so ergibt sich dabei keine Drehzahlveränderung. Werden jedoch jeweils mehrere Spulenpaare für jede der drei Stromphasen hintereinandergeschaltet und jeweils gleichmäßig über den Statorumfang verteilt, so wird dadurch die Drehzahl n des resultierenden Statormagnetfeldes entsprechend der beteiligten Spulenpaarzahl p verkleinert.

$n=\frac{f_\mathrm{Netz}}{p}$

Diese Maßnahme wird durchgeführt, wenn niedrige Drehzahlen und ein besonders ruhiger und gleichmäßiger Lauf mit großen Lasten gefordert sind. Eine Erhöhung der standardmäßigen Drehzahl für „einpolige“ Drehstrommaschinen ist nur durch Erhöhung der Frequenz oder durch den Einsatz von Getrieben möglich.

Beispiel: Bei einem Motor mit pro Phase vier hintereinandergeschalteten und über den Stator verteilten Spulenpaaren ist bei einer Stromfrequenz von 50 Hz die Umdrehungszahl N in gängigen Maßeinheiten:

N = 50 Hz x 60 s/min  : 4 Spulenpaare = 3000 : 4 / min = 750 / min

Eisenkern

Eine weitere Erhöhung der Effizienz ergibt sich dadurch, dass die Spulenwicklungen sowohl des Rotors als auch des Ständers (oder "Stators") in einen entsprechend geformten Eisenkern gebettet werden. Die Permeabilität des Eisens führt zu einer Vervielfachung des Magnetflusses und daher auch der wirkenden Antriebskräfte und Drehmomente.

Für die praktische Ausführung werden die Eisenkernquerschnitte stets aus dünnem und isoliertem Dynamoblech gestanzt und zum kompakten Kern zusammengesetzt. Dies geschieht, um (wie beim Transformator) im Eisenkern auftretende Wirbelströme und die durch sie bedingten Verluste abzuschwächen.

Die Wicklungsnuten im Rotoreisenkern von Asynchronmotoren werden in der Fertigung der Einfachheit halber mit Aluminium so ausgegossen, dass am äußeren Umfang des Eisenkerns ein elektrisch kurzgeschlossener Aluminium-Leiterkäfig entsteht. Bei diesem Gießvorgang werden meist auch gleich Kühllüfterflügel mit angegossen.

Gehäuse

Gehäuse eines 8 kW-Drehstrom-Asynchronmotors in Bauform B5 (Flansch)

Das umschließende Gehäuse dient nicht nur zum Schutz, sondern auch zur sicheren und befestigten Aufnahme des Ständerblechpaketes, der Lager für die Rotorwelle sowie auch der elektrischen Anschlussvorrichtungen. Das Gehäuse mit seinen Befestigungen dient auch als Gegenlager gegenüber dem vom Rotor angetriebenem Objekt.

Vor allem bei großen Motoren ist eine weitere wichtige Funktion des Gehäuses auch die Kühlung, wozu entsprechende Luftzuführungen und äußere Kühlrippen in das Metallgussgehäuse mit eingearbeitet sein können, oder das Gehäuse mit Wasser durchströmt wird.

Literatur

• 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
• Peter Bastian, Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 21. überarb. und erw. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1996, ISBN 3-8085-3431-1
• Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9

Siehe auch

• Schleifringläufermotor
• Anlassverfahren
• Schenkelpolmaschine

Weblinks

• Nennwerte von Drehstrommotoren