Elektromaschinenbau

Eine Elektrische Maschine ist ein Gerät, das teilweise mittels Wandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie arbeitet.

Einteilung und Funktionsweise

In der wissenschaftlichen Lehre werden unterschieden:

• Rotierende elektrische Maschinen, speziell Elektromotoren und Generatoren.
• Maschinen mit translatorischer (gradliniger) Bewegung als Sonderfall der rotierenden Maschine
• Ruhende Elektrische Maschinen, speziell Transformatoren wurden oft traditionell dazugezählt.

Das damit befasste industrielle Teilgebiet 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 für die Umformung der elektrischen Energie von hohen in niedrige Spannungen oder andersrum.

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 Wirkungsgrade bis 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 spannt sich von Größenordnungen unterhalb einem Microwatt (z. B. Uhrwerke oder Mikrosystemtechnik) bis über ein Gigawatt
(1 GW = 1.000.000.000 Watt) in Transformatoren und Generatoren.

Physikalische Grundwirkungen

Elektrische Maschinen nutzen die Eigenschaften der elektromagnetischen Wechselwirkung aus. Dies sind im Besonderen:

• die magnetischen Erscheinungen, die als Folge von Elektronenbewegungen auftreten (Elektromagnetismus, Magnetisches Feld).
• die Kräfte, die auf stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld ausgeübt werden
• die durch ein veränderliches Magnetfeld (oder den Durchgang durch ein Magnetfeld) in einem Leiter erzeugte Spannung bestimmter Größe und Richtung (Induktion).

Wesentliche Bestandteile elektrischer Maschinen

• Spulen: 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 Spulen 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.

Wesentliche Bauformen und Arten

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

„Mechanisch“ werden elektrische Maschinen vor allem nach Anordnungen unterschieden mit

• umlaufenden bzw. rotierenden Teilen (Motoren, Generatoren, rotierende Umformer)
• Maschinen mit translatorischer Bewegung, die entweder als eigene Klasse betrachtet werden, oder als Sonderfall der rotierenden Maschine durch „Aufschneiden“ und Verlegen der Kreis-Anordnung auf die Ebene wie bei den Linearantrieben und Linearmotoren gelten.

Spezieller wird unterschieden nach

• Elektromotoren
  • Drehfeldmaschinen
    • Asynchronmotor
    • Elektrostatikmotor
    • Synchronmotor
  • Kommutatormotoren (Gleichstrommotor, Universalmotor)
• Generatoren
• Umformern mit rotierenden Teilen

Literatur

• Elektrische Maschinen, B.G. Teubner Verlag 5., korr. Aufl. 2003, ISBN 3-519-46821-2
• Rudolf Janus: Transformatoren, VDE-VERLAG; ISBN 3-8007-1963-0
• Christ, Motoren: Generatoren, Transformatoren - Arbeitsheft STAM; ISBN 3-8237-3414-8
• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen, 408 Seiten, Paperback, 12. Auflage, Hanser ISBN 3-446-22693-1
• Werner Böhm: Elektrische Antriebe, Vogel Fachbuch Kamprath-Reihe 5., überarb. u. erg. Aufl. 2002, ISBN 3-8023-1912-5

Siehe auch

• Strombelag