Elektrische Maschine

Eine elektrische Maschine ist eine in der Elektrischen Energietechnik eingesetzte Maschine. Sie ist ein Oberbegriff für Energiewandler, welche zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie wandeln (Motor, Generator) oder zur ausschließlichen Umformung von elektrischer Energie dienen (Transformator).

Beispiel einer elektrischen Maschine: Elektromotor

Überblick

Elektrische Maschinen werden in folgende Gruppen eingeteilt:

• Rotierende elektrische Maschinen. Dazu zählen insbesondere die Elektromotoren und elektrische Generatoren, aber auch die Umformer.
• Maschinen mit translatorischer (gradliniger) Bewegung, die sogenannten "Elektrischen Linearmotoren", auch kürzer als "Elektrolinearmotoren" bezeichnet.
• Ruhende Elektrische Maschinen. Zu dieser Gruppe wird der Transformator gezählt, insbesondere die Leistungstransformatoren.

Je nach Richtung der übertragenen Leistung wird bei den rotierenden Maschinen zwischen Motorbetrieb, dabei wird Leistung von der elektrischen Seite zu der mechanischen Seite übertragen, und dem Generatorbetrieb, mit gegensinnigen Leistungsfluss, unterschieden.

Die mit Elektrischen Maschinen befasste industrielle Branche ist der Elektromaschinenbau. Alle elektrischen Maschinen dienen der Energiewandlung, insbesondere der steuerbaren Wandlung von mechanischer in elektrische Energie und umgekehrt (Elektromotoren und Generatoren). Transformatoren dienen der Umformung der elektrischen Energie von hohen in niedrige Spannungen oder andersherum.

Jede Energieumwandlung ist mit einem Energieverlust in Form von Wärme verbunden. Ein besonderer Vorzug elektrischer Maschinen ist dabei, dass ihre Verluste besonders klein sind, sie also einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Elektrische Großmaschinen können teilweise Wirkungsgrade bis in die Gegend von 99 % erzielen und sind damit allen anderen Maschinen überlegen.

Elektrische Maschinen werden heute in sämtlichen Bereichen der Technik, der Industrie, des Alltags, des Verkehrswesens, der Medizin und anderer Gebiete verwendet. Der Leistungsbereich elektrischer Maschinen erstreckt sich von Größenordnungen unterhalb von einem Microwatt (z. B. Uhrwerke oder Mikrosystemtechnik) bis hinaus über ein Gigawatt (1 GW = 1.000.000.000 Watt) wie bei den im Kraftwerksbereich eingesetzten Turbogeneratoren.

Physikalische Grundwirkungen

Elektrische Maschinen nutzen die Eigenschaften der elektromagnetischen Wechselwirkung aus und basieren auf der elektromagnetischen Induktion. Dies sind im Besonderen:

• die magnetischen Erscheinungen, die als Folge von Elektronenbewegungen auftreten (Elektromagnetismus, Magnetisches Feld) und die zur Drehmomenterzeugung genutzt werden können ( → elektrisch-mechanische Energiewandlung).
• diejenigen Kräfte, die auf stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld ausgeübt werden und die zur Stromerzeugung genutzt werden können ( → mechanisch-elektrische Energiewandlung ).

Bestandteile

• Wicklungen: Um die Wirkungen des Magnetfeldes auf die Leiter-Elektronen oder umgekehrt die Wirkungen des Elektronenflusses zu verstärken, sind in den meisten elektrischen Maschinen die elektrischen Leiter zu passend geformten Wicklungen aufgewickelt.
• Eisenkerne: Ebenfalls zur Verstärkung des Magnetfeldes und zur räumlichen Führung des Magnetischen Flusses dienen Eisenkerne in den Spulen.
• Zur Isolation der stromdurchflossenen Teile gegeneinander und gegenüber der äußeren Umgebung haben elektrische Maschinen entsprechende Isolations- und Abschirmungsteile.
• Zur mechanischen Stabilisierung und Stützung sowie eventuell zur Führung von beweglichen Teilen haben elektrische Maschinen entsprechende mechanische Konstruktionsteile.

Bauformen

Aufgrund ihrer weiten Verbreitung gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten elektrischer Maschinen, von denen hier die wichtigsten aufgezeigt werden sollen:

Drehfeldmaschinen

Drehfeldmaschinen benötigen für ihren Motorbetrieb Mehrphasenwechselstrom bzw. erzeugen als Generator Mehrphasenwechselstrom. Üblicherweise ist dies Dreiphasenwechselstrom, der im Bereich des Rotors ein Drehfeld erzeugt. Eine Drehfeldmaschine mit großer Verbreitung ist die Asynchronmaschine, die insbesondere als kostengünstiger und leistungsfähiger Antrieb in Form von Asynchronmotoren Anwendung findet. Kennzeichnend für die Asynchronmaschine ist der Schlupf, welcher bewirkt, dass sich der Rotor nicht mit der gleichen Umdrehungszahl wie das magnetische Drehfeld bewegt.

Die Gruppe der Synchronmaschinen ist durch eine starre Beziehung der Rotordrehung mit dem Drehfeld gekennzeichnet. Beispiele von Synchronmaschinen sind die Schenkelpolmaschine, welche sich in Innen- und Außenpolmaschinen aufgliedern, und die Vollpolmaschinen, die in Form von Turbogeneratoren im Kraftwerksbereich Einsatz finden. Zu den Synchronmaschinen zählen auch die Schrittmotoren und die umgangssprachlich als „bürstenloser Gleichstrommotor“ bezeichneten Motoren. Bei diesen wird das Drehfeld mittels einer elektronische Schaltung erzeugt.

Darüber hinaus gibt es noch spezielle Drehfeldmaschinen, wie die Kaskadenmaschine, die beispielsweise als Generator in Windkraftanlagen Verwendung findet. Ein in der Nanotechnik eingesetzter Motor ist der Elektrostatikmotor.

Kommutatormaschinen

Die Kommutatormotoren können mit Hilfe des Kommutators direkt an Gleichstrom oder einphasigen Wechselstrom betrieben werden. Beispiele von Kommutatormaschinen sind der Gleichstrommotor und der Universalmotor.

Weitere Bauformen

Kondensatormotoren zählen zu den Asynchronmaschinen und können mit Einphasenwechselstrom betrieben werden. Die zur Drehfelderzeugung nötige Phasenverschiebung wird durch einen Kondensator erzeugt. Auch der Spaltpolmotor wird mit Einphasenwechselstrom betrieben und erzeugt mittels eines speziell geformten magnetischen Kreises mit Kurzschlusswindungen ein Drehfeld.

Darüber hinaus gibt es elektrische Maschinen mit nur eingeschränkten Anwendungsbereichen wie die Unipolarmaschine, welche im Generatorbetrieb ohne Gleichrichtung direkt eine Gleichspannung liefert.

Literatur

• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14. Auflage. Hanser, München 2009, ISBN 3-4464-1754-0.
• Hans-Ulrich Giersch: Elektrische Maschinen. 5. Auflage. B.G. Teubner, Stuttgart 2003, ISBN 3-519-46821-2.
• Rudolf Janus, Hermann Nagel: Transformatoren. 2. Auflage. VDE-Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-8007-1963-0.