02 - Grundlagen E-Maschinen

Alle elektrischen Maschinen arbeiten mit Elektromagnetismus. Bekannt ist Magnetismus als physikalisches Phänomen. Ein Magnet bildet ein magnetisches Feld aus. Dieses Magnetfeld besitzt einen Nordpol und einen Südpol. Die magnetischen Feldlinien beginnen im Nordpol und enden im Südpol. Die gleichartigen Pole von Dauermagneten stoßen sich ab, ungleichartige Pole ziehen sich entsprechend an. Die entstehenden Kräfte können zur Erzeugung von Bewegung genutzt werden.

Elektromagneten entwickeln ebenso magnetische Felder mit denselben Wirkungen. Im Gegensatz zu Dauermagneten lassen sich diese jedoch an- und abschalten und sogar in Stärke und magnetischer Polung verändern, sie sind also ansteuerbar.

Bildquelle: ALP-Dillingen

Wird ein elektrischer Leiter von Strom durchflossen, erzeugt die gerichtete Bewegung der Elektronen ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld umgibt den Leiter in konzentrischen Kreisen. Die Ausrichtung der magnetischen Feldlinien ist von der Stromrichtung abhängig.

Mit Hilfe der „Rechten-Hand-Regel“ lässt sich das Magnetfeld darstellen. Dabei wird der Daumen der rechten Hand in Richtung der technischen Stromrichtung ausgerichtet. Die verbleibenden vier Finger repräsentieren das Magnetfeld, die Fingerspitzen zeigen in Richtung der entstandenen Magnetfeldlinien.

Wird der stromdurchflossene Leiter zu einer Schleife gelegt (Bild2), so bilden die konzentrischen magnetischen Feldlinien des Leiters ein Gesamtmagnetfeld. Die technische Stromrichtung wird in der Zeichenebene als Punkt oder als Kreuz dargestellt. Aus der Rechten-Hand-Regel kann nun die Ausrichtung des Gesamtmagnetfelds der Leiterschleife erschlossen werden.

Punkt (Pfeilspitze): Der Strom fließt aus der Zeichenebene heraus.
Kreuz (Pfeilende): Der Strom fließt in die Zeichenebene hinein.

Werden mehrere Leiterschleifen zu einer Spule gewickelt, so bilden sich die gemeinsamen Feldlinien zu einem gerichteten Gesamtmagnetfeld aus. Das Magnetfeld gleicht dem eines herkömmlichen Stabmagneten mit einem Nord- und einem Südpol. Innerhalb der Spule verlaufen die Feldlinien vom Süd- zum Nordpol. Im Gegensatz zu dem Magnetfeld eines permanentmagnetischen Stabes lässt sich das Elektromagnetfeld in Stärke und Ausrichtung regeln. Mit einem Kern aus vorteilhaften Materialien, z.B. Eisen, lassen sich Magnetfeldausrichtung und Magnetfeldstärke noch positiv beeinflussen.

Die Magnetfeldstärke eines Elektromagneten ist abhängig von:

• der Stromstärke durch den Leiter
• der Anzahl der Wicklungen
• Durchmesser und Länge der Spule
• Material des Magnetkerns.

Wird eine elektrische Ladung durch ein Magnetfeld bewegt, so wirkt auf diese eine Kraft. Benannt ist diese Kraft nach ihrem Entdecker, dem Niederländer Hendrik Antoon Lorentz.

Am einfachsten lässt sich die Lorentzkraft mit einer Leiterschaukel nachweisen.

Ein Leiter wird beweglich in einem Hufeisenmagneten aufgehängt. Die Feldlinien des Magneten durchdringen den Leiter.

Durch Stromfluss im Leiter bewegen sich die Elektronen darin und die Lorentzkraft wirkt auf diese. Der Leiter wird ausgelenkt. Polt man den Leiter um, so ändert sich mit der Bewegungsrichtung der Elektronen auch die Auslenkungsrichtung des Leiters.

Die Richtung der Auslenkung kann man durch die so genannte „Rechte-Hand-Regel“ ermitteln.

Mittels der Lorentzkraft lässt sich aus dem Stromfluss eine Bewegung erzeugen. Damit ist die Grundvoraussetzung für Elektromotoren geschaffen.

Schließt man statt der Stromquelle ein „Lämpchen“ als Verbraucher an der Leiterschaukel an und setzt die Leiterschaukel in Bewegung, leuchtet das Lämpchen kurz auf. Es lässt sich also durch den gleichen Versuchsaufbau durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld ein Stromfluss generieren, da nun die Lorentzkraft auf alle freien Elektronen im Leiter wirkt und sie gerichtet bewegt.

Vereinfachend gilt:

Stromfluss + Magnetfeld ---> Bewegung ---> Elektromotor

Magnetfeld + Bewegung ---> Stromfluss --->  Generator

Bildquelle: ALP-Dillingen

Unter Wechselstrom versteht man einen Strom, der ständig in Höhe und Polarität wechselt. Die Elektronen wechseln dabei ständig ihre Flussrichtung.

Wechselstrom entsteht, wenn ein Magnet mit Nord- und Südpol in einer Spule rotiert. Durch das Magnetfeld und die Bewegung wird in der Spule eine Wechselspannung induziert. Schließt man einen Verbraucher an und schließt den Stromkreis, fließt ein Wechselstrom.

Durch die Rotation und durch die damit einhergehende ständige Annäherung und Entfernung von Nord- und Südpol an die Spule entsteht die bekannte Sinusform, z.B. der Wechselspannung in der Hauselektrik. Die Zeit, die der Magnet für eine Umdrehung benötigt, entspricht der Periodendauer des Wechselstroms.

Sinusförmige Wechselspannung weist einige charakteristische Kenngrößen auf:

1. Amplitude
2. Spitze-Spitze-Wert
3. Effektivwert
4. Periodendauer

Von besonderer Bedeutung ist hier der Effektivwert. Der Effektivwert beschreibt denjenigen Spannungswert, der dauerhaft für die Leistungsübertagung herangezogen werden kann.

Bildquelle: Matthias Krüger, Public domain, via Wikimedia Commons

Mit einem einphasigen Wechselstrom, der mit Hilfe einer Spule gewonnen wurde, lässt sich eine bestimmte elektrische Leistung realisieren. Genügt diese nicht, greift man auf Dreiphasenwechselstrom zurück, wenn man die Höhe der Spannung nicht verändern kann oder will.

Da sich mit Dreiphasenwechselstrom sehr gut rotierende Bewegungen realisieren lassen, hat sich dafür auch der Begriff Drehstrom etabliert.

Drehstrom wird mit drei Spulen erzeugt, die wiederum um einen rotierenden Magneten angeordnet sind. Die Spulen sind jeweils um 120° zueinander versetzt und decken damit den Kreis, in dem der Magnet rotiert, vollständig ab. Der rotierende Magnet induziert jetzt in jeder der drei Spulen je eine Wechselspannung. Da die Spulen versetzt zueinander (120°) angebracht wurden, treten auch die drei Wechselspannungen zueinander versetzt auf. Man spricht hier von Phasenverschiebung. Die Phasenverschiebung beträgt 120°. Hat der Magnet eine ganze Umdrehung absolviert, hat auch jede der drei Phasen eine ganze Periode durchlaufen.

Bildquellen: Hyperstryke at de.wikipedia, Public domain, via Wikimedia Commons, WolfgangS, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons

Wird eine Anordnung von drei Spulen, die um 120° zueinander versetzt sind, mit Dreiphasenwechselstrom beaufschlagt, bilden sich an den Spulen je nach Stromfluss die Magnetfelder aus. Das resultierende Gesamtmagnetfeld rotiert in der Frequenz des Dreiphasenwechselstroms. Das rotierende Gesamtmagnetfeld bezeichnet man als Drehfeld.

Der Magnet in der Spulenmitte richtet sich zum Drehfeld aus und rotiert dabei mit der exakt gleichen Drehzahl wie das ihn umgebende Drehfeld. Durch die Reihenfolge, in der die Spulen vom Drehstrom durchflossen werden, lässt sich die Drehrichtung eines Drehstrommotors bestimmen. Über die Frequenz des dreiphasigen Wechselstroms kann die Drehzahl verändert werden. Über die Höhe der Stromstärke in den Spulen lässt sich das Drehmoment variieren.

Bildquelle: Staatliche Berufsschule 1 Seidelstraße 2, 63741 Aschaffenburg

Grundsätzlich können die drei Spulen einer Elektromaschine auf zwei unterschiedliche Arten miteinander verschaltet sein. Die Spulen werden als L1, L2 und L3 bzw. als u, v und w bezeichnet.

Werden jeweils drei Enden in einem Sternpunkt zusammengeschaltet, bilden die drei freien Enden die Außen- oder Phasenleiter. Man spricht bei dieser Art der Verschaltung von einer Sternschaltung.

Die Spannung zwischen den Außenleitern ist um den Faktor  höher als die Spannung einer Spule. Liegt z.B. wie bei der Hauselektrik eine Außenleiterspannung von 400V an, so beträgt die Spannung zwischen Außenleiter und Sternpunkt 230V.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die drei Spulen durch die Verbindung von jeweils zwei Spulenenden zu schalten. Die Verbindungspunkte bilden jetzt die Außenleiter.

Bei einer Bestromung von außen liegt bei der Dreieckschaltung an jeder Spule die volle Außenleiterspannung an. Es fließt ein höherer Strom als bei der Sternschaltung. Ist die Spannung an den Außenleitern bei der Dreieckschaltung genauso hoch wie bei der Sternschaltung, so kann die dreifache Leistung mit dem gleichen Motor erzeugt werden. Das entstehende Drehfeld ist entsprechend stark.