Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei elektrischen Maschinen
Hier findest du folgende Inhalte
Formeln
Komponenten elektrischer Maschinen
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Gehäuse
darin befinden sich die isoliert angebrachten Komponenten der elektrischen Maschine.
Isoliermaterial
um unerwünschten elektrischen Kontakt zu verhindern.
Luftspalt
trennt drehende von statischen mechanischen Komponenten, also den Rotor vom Stator.
Stromzu- bzw. -abfuhr
welche am Stator über Klemmen und am Rotor über Bürsten erfolgt. Damit man die Wicklungen der Maschine schon an den Klemmen erkennen kann, sind genormte Klemmenzeichen üblich:
- A1-A2: Ankerwicklung
- B1-B2: Wendepolwicklung
- C1-C2: Kompensationswicklung
- D1-D2: Reihenschlusswicklung
- E1-E2: Nebenschlusswicklung
- F1-F2: Fremderregte Wicklung
Elektrobleche
sind einseitig isoliert und haben eine Dicke von 0,23 .. 0,6 mm, um Wirbelströme zu unterbinden, sind kaltgewalzte Dynamobleche und werden zu einem Blechpaket zusammengefügt.
Kommutator
dient der Stromwendung (Umpolung) bei
- Gleichstrom und
- Einphasen-Reihenschlussmotoren (Universalmotor)
Schleifringe
stellen eine elektrische Verbindung zwischen den am Stator befestigen Bürsten und somit die Verbindung zum äußeren Netz einerseits und dem sich drehenden Läufer samt seinen Wicklungen andererseits her.
- zum Anker der fremd- oder eigenerregten Gleichstrommaschine, nicht jedoch zur bürstenlosen Gleichstrommaschine (BLDC)
- zum Polrad der Synchronmaschine, sowohl bei Schenkelpol- als auch bei Trommelläufer
- zum Schleifringläufer der Asynchronmaschine, nicht jedoch zum Kurzschlussläufer
Stator bzw. Ständer
ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine.
Rotor bzw. Läufer
ist die bewegliche Komponente einer rotierenden Maschine.
- Bei einer Gleichstrommaschine ist der Rotor zugleich der Anker.
- Bei einer Synchronmaschine nennt man den Rotor auch Polrad.
Anker
Der Anker ist jener Teil einer elektrischen Maschine, in dessen Wicklung durch relative Drehung gegen ein Erreger-Magnetfeld eine Spannung induziert wird. "Relative" Drehung bedeutet, dass sich entweder
- das Gleich-Feld dreht und die Spulen stillstehen (Anker = Stator der Synchronmaschine). In den Anker werden die 3 Spannungen eines Drehfeldes induziert.
- das Gleich-Feld steht still und die Spule dreht sich (Anker = Rotor der Gleichstrommaschine). In den Anker wird eine Wechselspannung induziert.
Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes.
Ankerspulen liegen von Wechselstrom durchflossen in den Nuten des Läufers
- Gleichstrommaschine
- Einphasen-Reihenschlussmotor (Universalmotor).
Ankerspulen liegen als mehrsträngige Drehfeldwicklung in den Nuten des Ständers
- Bürstenlose Gleichstrommaschine
- Schenkelpol- und Vollpol (Trommelläufer) Synchronmaschine
- Kurzschluss- oder Schleifringläufer Asynchronmaschine
Eisenkern eines Trafos
dieser dient dem Rückschluss vom magnetischen Fluss und setzt sich aus dem geblechten Joch- und den Schenkeln zusammen.
Bei den Schenkeln, welche die Primär- und Sekundärwicklungen tragen, unterscheidet man den
- Einphasen-Kern bzw. – Manteltrafo
- Drehstrom Kern-Trafo bzw. Dreischenkel und Fünfschenkel-Kerntrafo.
Windung - Spule - Wicklung - Strang
Jede Spule kann aus mehreren Windungen bestehen. Jede Spule erfordert 2 Nuten, eine für die Hin- und eine für die Rückleitung. Die einzelnen Spulen werden zu Wicklungen zusammengeschlossen.
Bei Drehstrommaschinen gibt es für jede der 3 Phasen eigene, um elektrische 120° versetzte, Wicklungen, die man Strang nennt. Mit „Strang“ bezeichnet man immer die Größe, die direkt an der Generatorspule anliegt, unabhängig davon ob die Generatorspulen im Stern oder im Dreieck zusammengeschaltet werden. Man kann die 3 Induktionsspulen zu einem Stern oder einem Dreieck zusammenschalten, ohne dass ein Kurzschluss entsteht. Abhängig von Stern- oder Dreieck-Schaltung, unterscheiden sich die Stranggrößen von Strom und Spannung von den Außenleitergrößen. (Wir behandeln diese Zusammenhänge in der Mikro-Lerneinheit "Drehstrom" ausführlich.)
Anzapfungen dienen dazu unterschiedlich hohe Spannungen an einem Strang abzugreifen. Es handelt sich dabei um herausgeführte Zwischenanschlüsse, welche die Anzahl derjenigen Windungen reduziert, in die eine Spannung induziert wird. Beispiel: Regeltrafo.
Erregerwicklung
Wicklung, welche das Erreger- oder Hauptfeld erzeugt.
Ankerwicklung
entsteht durch das elektrische Zusammenschließen der einzelnen in den Ankernuten liegenden Ankerspulen, die ihrerseits aus mehreren Windungen bestehen. Die Ankerwicklung liegt abhängig vom Maschinentyp im Rotor oder im Stator.
Trafowicklungen
bei deren Aufbau man zwischen Zylinder- und Scheibenwicklung unterscheidet.
- Bei der Zylinderwicklung liegt innen die Unterspannung und außen die Oberspannung
- Bei der Scheibenwicklung liegen die Unter- und Oberspannungswicklungen abwechselnd entlang von den Schenkeln verteilt.
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Synchronmaschinen
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Synchronmaschinen
Synchronmaschinen sind rotierende elektrische Maschinen, in denen der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators umläuft. In der Elektro-Energietechnik werden sie überwiegend als Generator betrieben, als Motor finden sie in der Elektromobilität Anwendung.
Die Synchronmaschine ist heute als Drehstromgenerator der Erzeuger elektrischer Energie schlechthin. Ihre Leistung liegt zwischen 500 – 1000 MW bei Wasserkraftgeneratoren und über 2000 MW bei 4 poligen Turbogeneratoren. Entscheidend für solche Leistungen ist eine aktive Kühlung im Läufer.
Als Motor hat die Synchronmaschine im industriellen Bereich geringe Bedeutung, kommt aber als drehzahlvariabler Antrieb etwa als Hauptantrieb für Elektrofahrzeuge zum Einsatz.
Stator oder Ständer, zugleich Anker
Der Stator ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine und besteht aus geschichteten Blechen. Der Stator der Synchronmaschine besitzt eine in Nuten liegende Drehstromwicklung, die ein dreisträngiges Drehfeld bewirkt.
Im Ständer großer Synchronmaschinen, speziell von Turbogeneratoren, liegen aus isolationstechnischen Gründen praktisch ausschließlich 2 Leiter je Nut, also ein Leiter in der Ober- und ein Leiter in der Unterschicht. Damit die Leiterströme den Leiterquerschnitt gleichmäßig ausfüllen, erfolgt eine Unterteilung in zahlreiche Teilleiter, sogenannte Roebelstäbe, die zudem um 360° auf die Paketlänge verdrillt sind.
Der Anker ist jene Wicklung einer elektrischen Maschine, in die vom Erregerfeld eine Spannung induziert wird. Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes. Bei der Synchronmaschine ist daher der Stator zugleich der Anker.
Es ist daher generell falsch, Stator mit Rotor bzw. Läufer – wie bei der Gleichstrommaschine – gleichzusetzen.
Luftspalt
Da die Erregung aus einem lokalen Gleichstromnetz über das Polrad erfolgt, ist man bei der Wahl der Luftspaltbreite nicht eingeschränkt. Übliche Luftspaltbreiten starten bei wenigen mm und gehen auch über 10 cm hinaus.
Läufer oder Polrad
Der Synchrongenerator besitzen ein mit Gleichstrom oder durch Permanentmagnete erregtes Polrad. Im Unterschied zur Gleichstrommaschine befinden sich ausgeprägte Pole also nicht am Ständer, sondern am Läufer (Schenkelpolmaschine) oder kommen gar nicht vor (Vollpol-, Turbo- oder Trommelläufer). Beim Vollpolläufer liegt die Erregerwicklung in Nuten in axialer Richtung des zylindrischen Laufkörpers.
Schenkelpolmaschine
Läufer für kleinere Drehzahlen besitzen ausgeprägte Pole mit massiven oder geblechten Polkernen. Einen derartigen Läufer bezeichnet man auch als Polrad, die Synchronmaschine ist dann eine Schenkelpolmaschine. Das Polrad besteht aus einem Polschaft, auf dem sich die gleichstromdurchflossen Erregerwicklung befindet und einem Polschuh, in dem sich Dämpferstäbe befinden können.
Die Dämpferstäbe liegen auf der dem Luftspalt zugewandten Seite der Polschuhe und bestehen aus Kupferstäben von kräftigem Querschnitt. Sie sind an der Stirnseite des Läufers zu einem sogenannten Dämpferkäfig zusammengeschlossen. Der Dämpferkäfig dient dazu Drehzahlschwankungen zufolge Oberfelder der Synchronmaschine zu dämpfen.
Vollpolmaschine
Läufer für höchste Drehzahlen werden als Trommel- oder Turboläufer ausgeführt und auch Vollpolmaschine genannt. Hier ist der Läufer ein runder glatter Zylinder, ohne geometrisch ausgeprägte einzelne Pole und die Erregerwicklung sitzt in Nuten dieses Zylinders.
Klassifikation von Synchronmaschinen nach deren Erregung
- Elektrisch erregte Maschinen, als Generatoren am starren Netz, bieten die Möglichkeit die Erregung zu verändern
- Schenkelpolmaschine, ausgeprägte magnetische Achsigkeit
- Vollpolmaschine, ohne magnetischer Achsigkeit
- Permanentmagnet erregte Maschine, ohne der Möglichkeit die Erregung zu verändern
- Permanent erregte Maschinen (PMSM), als drehzahlvariable Motoren mit Umrichterspeisung für das Ständerfeld,
- Oberflächenmagnete
- vergrabene Magnete (liegen im Inneren des Polrades)
- Radnabenmaschine, dabei handelt es sich um permanent erregte Synchronmotoren, die direkt in den Rädern von Kraftfahrzeugen untergebracht sind und diese antreiben, wodurch der Antriebsstrang (Getriebe, Kardanwelle, Differential) wegfällt. Innen liegt der Stator mit einer Drehfeldwicklung, außen liegt das Polrad.
- Permanent erregte Maschinen (PMSM), als drehzahlvariable Motoren mit Umrichterspeisung für das Ständerfeld,
- Synchronmaschinen ohne Erregung
- Reluktanzmaschinen (SRM), das sind Synchronmaschinen ohne Erregung. Das Drehmoment basiert nicht auf der Lorentzkraft. Der Stator ist wie bei Synchronmaschinen aufgebaut. Der Rotor weist durch Barrieren für den magnetischen Fluss eine ausgepräge magnetische Achsigkeit auf und läuft synchron mit dem Drehfeld des den Stator speisenden Netzes um.
Drehzahl der Synchronmaschine
Die Drehzahl ist starr an die Netzfrequenz gebunden und hängt nur von der Polpaarzahl wie folgt ab:
\(n = \dfrac{f}{p}\)
Bei f=50 Hz ergeben sich folgende diskrete Drehzahlen:
- p=1: n=3000 U/min; Maschine hat 2 Pole
- p=2: n=1500 U/min; Maschine hat 4 Pole
- p=3: n=1000 U/min; Maschine hat 6 Pole
Wegen der hohen Drehzahl und der damit verbundenen Fliehkräfte wird der Läufer von 2 und 4-poligen Maschinen meist nicht mit einem Polrad, sondern als Vollpolläufer (Trommel- oder Turboläufer) ausgeführt.
Erregerwicklung
Dem Polrad wird über Schleifringe ein Gleichstrom zugeführt, und dadurch ein Gleichfeld erzeugt. Der so erzeugte magnetische Fluss geht von einem Pol des Läufers durch den Luftspalt, die fixe Stator-Drehstromwicklung und schließt sich über den Ständer zum Gegenpol des Läufers.
Zufolge der mechanischen Drehung des Polrads durch eine Turbine (Wasser, Dampf) wandert das Maximum der Induktion entlang des Ständerumfangs, wodurch das Gleichfeld des Polrads als Drehfeld für den Stator wirkt. In einem Leiter, der sich in seiner Nut am Ständerumfang befindet, wird eine Spannung induziert.
Ruheinduktion eir - Spule ruht
Durch die zeitliche Änderung eines magnetischen Feldes B, welches vom Polrad erzeugt wird, entsteht im ganzen umgebenden Raum ein elektrisches Wirbelfeld, wodurch eine Urspannung in die ruhenden Spulen des Ständers (daher: Anker) induziert wird.
Das Flächenintegral über alle durch die Änderung der magnetischen Flussdichte B gemäß der 2. maxwellschen Gleichung verursachten Wirbel des elektrischen Feldes E ergibt:
\({e_{ir}} = \mathop \smallint \limits_A rot\vec E \cdot d\vec A = - \mathop \smallint \limits_A \dfrac{{\partial \vec B}}{{\partial t}}\,d\vec A\)
Die Höhe der induzierten Spannung ist proportional zur Drehzahl und ist nichtlinear abhängig vom Erregerstrom bzw. der Magnetisierungskennlinie.
Dämpferwicklung
In den Polschuhen des Polrads können in Nuten Rundstäbe angebracht werden, die an der Stirnseite der Polschuhe zu einem Käfig kurzgeschlossen werden.
Strangwicklung im Stator
Es handelt sich um eine Drehstromwicklung, welche mit dem 3-phasen-Drehstromnetz verbunden ist.
Gemeinsam ist allen Synchronmotoren, das vom Stator ein umlaufendes Drehfeld erzeugt wird, welches mit dem Gleichfeld des Läufers so wechselwirkt, dass ein Drehmoment ausgeübt wird. Das Gleichfeld des Läufers stammt entweder aus einem Gleichstrom-Nebenschlussgenerator (Fremderregte Synchronmaschine) oder von Permanentmagneten (PMSM).
In einem Synchrongenerator ist es die Urspannung, die dafür sorgt, dass durch die mechanisch verursachte Bewegung des Rotors, dem über Schleifringe ein Erreger-Gleichstrom zugeführt wird, oder der über Permanentmagnete verfügt, ein sich drehendes Erregerfeld entsteht, wodurch im Stator eine Spannung induziert wird. Diese induzierte Spannung treibt einen Strom durch ein an den Statorklemmen angeschlossenes Netz mit zugeschalteten Verbrauchern.
Ankerrückwirkung
Ständer- und Läuferfeld ergeben ein resultierendes Luftspaltfeld. Bei Belastung der Synchronmaschine fließt im Anker ein Drehstrom, welcher, so wie das Polrad, ein Drehfeld erzeugt. Die beiden Drehfelder überlagern sich zu einem resultierenden Drehfeld im Luftspalt.
Polradwinkel
Der wirklastabhängige Polradwinkel \(\delta \), auch Lastwinkel genannt, ist der Winkel zwischen der Polradspannung und dem Drehfeld des Stators.
- Im Generatorbetrieb eilt das Polrad dem Synchronfeld voraus, läuft aber synchron dazu um.
- Im Motorbetrieb hinkt das Polrad dem Synchronfeld nach, läuft aber synchron dazu um.
Bei Nennleistung liegt der Polradwinkel bei 20° bis 30°.
Für einen stabilen Betrieb darf der Betrag des Polradwinkels 90° nicht überschreiten, sonst kippt die Maschine. Dabei kann die Maschine im Generatorbetrieb durchgehen, d.h. über die Bemessungsdrehzahl hinaus beschleunigen. Im Motorbetrieb pendelt die Maschine und erzeugt kein externes Drehmoment.
Synchronmaschine am Netz
Speist eine einzelne Synchronmaschine in ein elektrisches Drehstromnetz, spricht man vom Inselbetrieb.
Andernfalls wird die Synchronmaschine zunächst im Leerlauf auf die netzsynchrone Drehzahl hochgefahren und anschließend mit dem Verbundnetz, in dem sich andere Synchronmaschinen befinden, synchronisiert.
Ein zeitlich konstantes Drehmoment kann nur dann gebildet werden, wenn das vom Ständer und das vom Läufer erzeugte Feld synchron umlaufen. Beim Anlauf einer Synchronmaschine ist die Erregerwicklung am Läufer zunächst nicht erregt, daher kann kein Drehmoment erzeugt werden, welches den Läufer in den Synchronismus zieht. Daher kann die Synchronmaschine nicht von allein anlaufen. Sie benötigt eine Anlaufhilfe, die dafür sorgt, dass die mechanische Drehung des Läufers geringfügig unter der magnetischen Drehzahl des vom Ständer ausgehenden Drehfeldes liegt. Dazu kann ein Startmotor dienen. Bei einem unbelasteten Synchronmotor kann man auch den Dämpferkäfig als Anlaufkäfig missbrauchen, wodurch sich der anlaufende Synchronmotor temporär wie ein Asynchronmotor verhält.
Um eine Synchronmaschine mit dem Netz zu synchronisieren, muss die Drehzahl der Maschine, die Spannung der Maschine und die Phasenfolge der Maschine mit der Drehzahl, der Spannung und der Phasenfolge des Netzes übereinstimmen.
- Die Drehzahl der Maschine kann durch die Erregung der Maschine geregelt werden.
- Die Spannung der Maschine kann durch die Einstellung des Erregerstromes geregelt werden.
- Die Phasenfolge der Maschine kann durch die Anordnung der Leiter im Stator oder im Läufer geregelt werden.
Das Synchronisieren der Synchronmaschine mit dem Netz erfolgt in mehreren Schritten:
- Anfahren der Maschine: Die Maschine wird mit einer Drehzahl angetrieben, die unterhalb der synchronen Drehzahl liegt.
- Erregung der Maschine: Die Polradwicklung der Maschine wird mit einem Erregerstrom erregt. Dadurch wird ein magnetisches Feld erzeugt, das mit dem Läufer rotiert.
- Regelung der Spannung: Die Spannung der Maschine wird so eingestellt, dass sie der Spannung des Netzes entspricht.
- Kontrolle der Phasenfolge: Die Phasenfolge der Maschine wird mit einem Phasenschieber oder einem Nullspannungsinstrument kontrolliert.
- Schließen des Generatorschalters: Der Generatorschalter wird geschlossen und die Maschine wird an das Netz angeschlossen.
Von nun an gibt die Netzfrequenz die Drehzahl des Maschinensatzes (GS-Erreger- plus Synchronmaschine) vor. Über eine Steigerung vom Erregerstrom aus der Gleichstrommaschine kann die Synchronmaschine als Motor oder über eine Reduktion vom Erregerstrom aus der Gleichstrommaschine als Generator genutzt werden. In beiden Fällen ändert sich der Polradwinkel, der nur im Leerlauf Null ist.
Generatorbetrieb
Im Generatorbetrieb wird der Läufer von einer mechanischen Kraftmaschine (Turbine) angetrieben. Der Gleichstrom in der Erregerwicklung erzeugt ein relativ zum Läufer stillstehendes Magnetfeld. Zufolge der Drehung des Läufers verhält sich dieses Erregermagnetfeld relativ zum Ständer aber als Drehfeld. Dieses Drehfeld induziert in den drei Strängen der Ständerwicklung drei Spannungen, zwischen denen ein Phasenverschiebungswinkel von 120° besteht. Dem Ständer kann daher Drehstrom entnommen werden.
Die induzierte Spannung hängt dabei vom Erregerstrom und von der Drehzahl des Läufers ab. Da die Frequenz der induzierten Spannungen meist vorgeschrieben ist, wird die Spannung mit dem Erregerstrom eingestellt.
Motorbetrieb
Im Motorbetrieb erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Magnetfeld. In diesem muss der Rotor, mit seinem von Gleichstrom oder Permanentmagneten erzeugten Läuferfeld, mit der synchronen Drehzahl umlaufen. Die Drehzahl des Synchronmotors wird durch die Frequenz oder Amplitude der Strangströme im Stator geregelt.
- Im Leerlauf, d.h. wenn der Rotor nicht belastet wird, ist der Nordpol des Rotors immer auf den Südpol des Stators ausgerichtet und umgekehrt.
- Steht der Rotor jedoch unter Last, entsteht ein zunehmender Winkelversatz zwischen Stator- und Rotorfeld, der so genannte Polradwinkel. Unter Einwirkung des bremsenden Moments, bleibt der Rotor lediglich zum Erregerfeld um den Polrad- oder Lastwinkel zurück, läuft aber weiterhin mit der synchronen Drehzahl.
Die mechanische Belastung kann so lange erhöht werden, bis der Polradwinkel 90° beträgt, d.h. bis der magnetische Nordpol des Rotors auf den magnetischen Nordpol des Stators zeigt. An diesem Punkt entsteht das Auszugsdrehmoment, das maximal erzeugbare Drehmoment.
Wird der Rotor weiter belastet, reduziert sich das erzeugte Drehmoment mit dem wachsenden Polradwinkel und reicht nicht mehr aus, um den Rotor synchron magnetisch mitzuziehen. Dadurch wird der Rotor zu einer anderen als der synchronen Drehzahl gezwungen, was zur Folge hat, dass der Rotor seine Lage zum Drehfeld fortwährend ändert, sodass die elektromagnetische Kraftwirkung ihn abwechselnd nach vorne zieht und dann wieder zurück, sodass das im Mittel entstehende Moment Null ist. Man spricht dann vom Kippen bzw. Außertrittfallen des Motors, was das Ende eines regulären Betriebszustandes ist und neben der Geräuschentwicklung zu Schäden an der Maschine und den nachgeschalteten Getrieben führen kann.
Fremderregte Synchronmaschine
Oft sitzt auf der Läuferwelle des Synchrongenerators auch der Anker des, seinerseits selbsterregten, Erreger-Gleichstrom-Nebenschlussgenerators.
Die Erregerwicklungen der Synchronmaschine werden von einem Gleichstrom durchflossen. Dieser Erregerstrom wird gewöhnlich durch eine separate Erregermaschine, einem Gleichstrom-Nebenschlussgenerator, geliefert und dem Rotor der Synchronmaschine über Schleifringe zugeführt. Der Aufbau als Innenpolmaschine hat den Vorteil, dass die Hochspannung (10 kV) und der Hochstrom (10 kA) bei einer 100 MW Maschine, dem festen Ständer entnommen wird, während lediglich der kleine Erregerstrom über Schleifringe zugeführt werden muss.
Der kostengünstigere fremdstromerregte Synchronmotor hat gegenüber der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) den Vorteil, dass die Stärke des Erregerfeldes über den Gleichstrom in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl eingestellt werden kann.
Der Nachteil ist jedoch, dass im Vergleich zur PMSM elektrische Verluste im Rotor auftreten, die den Wirkungsgrad der Maschine verringern. Außerdem muss wieder ein Weg gefunden werden, den Gleichstrom an den rotierenden Rotor anzulegen.
Permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM)
Die fremderregte Synchronmaschine braucht in beiden Betriebsarten, also Motor oder Generator, Gleichstrom für die Erregung. Ihr Betrieb ist also vom Vorhandensein einer Gleichstromquelle abhängig, es sei denn man erzeugt das Rotorfeld durch Permanentmagnete. In diesem Fall spricht man von einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM).
Werden PMSMs im Motorbetrieb eingesetzt, ist eine Leistungselektronik notwendig, welche die Belastung des Rotors überwacht und ggf. den Antrieb bei zu hoher Belastung vor dem Abwürgen, etwa durch Variation des Statorstroms oder Abschaltung des Motors, schützt.
Permanentmagneterregte Maschinen haben - auch im Vergleich zu anderen Elektromotoren - einen sehr hohen Wirkungsgrad, dank fehlender elektrischer Verluste im Rotor und eine hohe Leistungsdichte, weshalb die PMSMs häufig für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden.
Moderne Hochenergiemagnete wie Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) ermöglichen eine besonders kompakte Bauweise, stellen aber gleichzeitig eine der größten Schwächen dieser Elektromotorenkonzepte dar: die hohen Materialkosten und eine teilweise ökologisch und ethisch höchst umstrittene Gewinnung in Drittweltländern.
Asynchronmaschinen
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Asynchronmaschinen (ASM) sind rotierende elektrische Maschinen, in denen der Rotor im Motorbetrieb untersynchron bzw. im Generatorbetrieb übersynchron zum Drehfeld des Stators umläuft.
Zufolge des extrem einfachen mechanischen Aufbaus, seiner Robustheit und des minimalen Wartungsanspruchs, ist der Drehstrom Asynchronmotor - speziell in der Ausführung als Kurzschlussläufer - heute in der Industrie der elektrische Antriebsmotor schlecht hin. Die pro Einheit aufgeführten Leistungen reichen von einigen Watt bis zu mehreren MW.
Stator oder Ständer
Der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine sind praktisch gleich. Beim ständergespeisten Motor
- enthält der Ständer die Primär- oder Erregerwicklung und der Läufer die Sekundärwicklung. Entsprechend bezeichnet man ständerseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 1 und läuferseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 2.
- liegt die Primärwicklung an dem speisenden Netz und somit an dessen konstanter Frequenz (z.B.: 50 Hz; 16 2/3 Hz). Daher läuft auch das Erreger-Drehfeld mit dieser konstanten synchronen Drehzahl relativ zum Ständer um.
Bei der Asynchronmaschine erzeugt der Drehstrom, der vom speisenden Netz den Wicklungen im Ständer zugeführt wird, ein von den Ständerwicklungen ausgehendes magnetisches Drehfeld. Zufolge der Lorenzkraft,
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)
die somit auf den - auf einer Welle sitzenden - Anker einwirkt, dreht sich dieser. Das so erzeugte mechanische Drehmoment der Welle kann zum Antrieb von industriellen Geräten verwendet werden.
Im Stillstand wirken die dreiphasige Ständerwicklung und die dreiphasige Läuferwicklung wie bei einem Transformator zusammen, wenngleich es auf Grund des beim Trafo nicht vorhandenen Luftspalts von bis zu 1cm zwischen Stator und Läufer zahlenmäßige Unterschiede gibt. Das durch das speisende Feld erzeugte Ständerdrehfeld induziert in der Läuferwicklung eine Spannung. Die im Stillstand des Läufers gemessene Spannung wird als Läuferstillstandsspannung bezeichnet und wird zusammen mit der Ständerspannung auf dem Leistungsschild angegeben:
\({\rm{\Delta 380V - 187A; 1460U/Min; 50Hz; Läufer Y245V - 248A}}\)
Luftspalt
Da Asynchronmaschinen grundsätzlich ohne ausgeprägte Pole hergestellt werden, da also sowohl die Stator- als auch die Rotorwicklung, so es überhaupt eine gibt (Schleifringläufer), in Nuten liegen, ist der Luftspalt über den Umfang konstant. Der Luftspalt wird so klein wie mechanisch möglich ausgeführt.
Läufer
Während der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine praktisch gleich sind, unterscheiden sich die Läufer.
- Bei der Synchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
- Schenkelpol und
- Trommel- bzw. Turboläufer
zum Einsatz.
- Bei der Asynchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
- Kurzschluss – bzw. Käfigläufer
- Schleifringläufer und
zum Einsatz.
Bei der Synchronmaschine betrachtet man den Polradwinkel, während es bei der Asynchronmaschine zum Schlupf kommt.
Wir betrachten jeweils den Motorbetrieb
- Bei der Synchronmaschine im Motorbetrieb erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Magnetfeld. In diesem muss der Rotor, mit seinem von einem extern stammenden Gleichstrom oder Permanentmagneten erzeugten Läufergleichfeld, mit der synchronen Drehzahl umlaufen. Die beiden Felder drehen mit der gleichen Frequenz und sind gegeneinander lediglich um den Polradwinkel verschoben.
- Beim Asynchronmotor im Motorbetrieb erfolgt keine Erregung, es befinden sich auch keine Permanentmagnete am Rotor, sondern spätestens nach dem Hochlauf werden die Läuferwicklungen sogar kurzgeschlossen.
Ausgehend von den Drehstromwicklungen des Stators erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Stator-Magnetfeld. Dieses induziert in den kurzgeschlossenen Läufer Ströme, die ihrerseits ein Läuferdrehfeld bewirken. Auf Grund dieser Induktion nennt man die Asynchronmaschine auch Induktionsmaschine.
Unabhängig von der Läuferdrehzahl laufen das erregende Ständer- und das induzierte Läuferdrehfeld immer gleich schnell um. Die stillstehende ASM verhält sich also wie ein Trafo.
Die beiden Drehfelder bilden ein Drehmoment, welches den Läufer dem Ständerdrehfeld nachlaufen lässt, wodurch der Motor auf Touren kommt. Würde der Läufer exakt die Umlaufzahl von Ständerdrehfeld erreichen, würde mangels Relativbewegung die Induktionswirkung aufhören und es würde kein Drehmoment mehr wirken.
Die Drehzahl des unbelasteten Motors ist daher geringfügig kleiner als die Drehzahl des Erregerfeldes.
Belastet man den hochgelaufenen Motor, so sinkt dessen Drehzahl bei steigendem Drehmoment weiter, es kommt zum Schlupf. D.h. die Drehzahl des Läufers ist dauerhaft kleiner als die Drehzahl des Ständer-Erregerfeldes.
Kurzschluss- bzw. Käfigläufer
Kurzschlussläufer sind billig herzustellen und sind wartungsarm (keine Bürsten), kostengünstig und robust. In den Nuten des Läufers liegen Stäbe, die beiderseits des Blechpakets mit Kurzschlussringen kurzgeschlossen werden. Die Stäbe und die beidseitigen Kurzschlussringe bilden den Käfig, der gleichzeitig das Läuferblechpaket zusammenhält.
Bei Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer hat nur der Stator eine Drehstromwicklung.
Bei der Ausführung als Rundstabläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakets
- runde Stäbe aus Aluminium oder Kupfer.
Bei der Ausführung als Stromverdrängungsläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakts
- ein äußerer Stab aus Messing mit hohem Widerstand für den Anlauf und
- ein innerer Stab aus Kupfer mit niederem Widerstand für den Dauerbetrieb.
Stromverdrängungsläufer haben einen kleinen Anzugstrom aber ein großes Anzugsmoment. Nachteilig ist, dass der Nutquerschnitt ziemlich groß ist, wodurch die Streuung größer ist als beim Rundstabläufer und der Leistungsfaktor bzw. der Wirkungsrad niedriger ausfallen.
Moderne Kurzschlussläufermotoren kommen mit Frequenzumrichter zum Einsatz.
Schleifringläufer
Wenn von dem Netzbetreiber billige Kurzschlussmotoren wegen ihres erhöhten Anzugstroms im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann, nicht zugelassen werden, oder wenn ein besonders hohes Anzugsmoment verlangt wird, oder wenn eine Drehzahlregelung des Motors ohne Frequenzumrichter erforderlich ist, kommen ASM mit Schleifringläufer zum Einsatz.
Bei ASM mit Schleifringläufer haben sowohl der Stator als auch der Läufer eine Drehstromwicklung.
Die Läuferwelle trägt das Blechpaket und an einer Seite vom Blechpaket die drei isoliert auf der Achse sitzenden Schleifringe. Die elektrische Verbindung zu den drei Schleifringen wird durch drei am Stator befestigten Kohlebürsten hergestellt.
In den Nuten des Läuferblechpakets ist die Läuferwicklung untergebracht, die fast immer drei Stränge hat, welche auf der den Schleifringen vis-a-vis gelegenen Seite des Blechpakets meist in Stern, selten in Dreieck geschaltet sind, wobei diese Schaltung innerhalb der Wicklung stattfindet.
Nach dem Anlassen des Motors mittels externer Anlasswiderstände wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen und die Bürsten werden abgehoben. Ein zusätzlicher Kostenfaktor im Vergleich zum Kurzschlussläufer sind die zur Begrenzung des Anlaufstroms erforderlichen Anlasswiderstände.
Motorbetrieb
Die wichtigste Betriebsart der Asynchronmaschine ist die als Drehstrommotor. In einem Elektromotor ist es die Lorenzkraft, die dafür sorgt, dass sich der Anker unter der Einwirkung des, von den Wicklungen im Stator ausgehenden, Magnetfelds dreht.
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)
Für den gewöhnlichen Motorbetrieb kommt der untersynchrone Drehzahlbereich, vom
- Stillstand mit n=0 und Schlupf s=1 bis zum
- Synchronismus mit n=ns und Schlupf s=0 in Betracht.
Der Läufer folgt aus dem Stand dem Drehfeld im gleichen Sinn.
Bewegt sich der rotierende Läufer im Grenzfall synchron mit dem von Ständer her magnetisierenden Drehfeld, dann steht die Läuferwicklung relativ zum Drehfeld still. Damit ändert sich die Flussverkettung nicht mehr und die induzierte Spannung ist null. \(\dfrac{{d\Phi }}{{dt}} = 0 \to {U_2} = 0\)
Für beliebige Winkelgeschwindigkeiten des Läufers zwischen Stillstand und synchroner Winkelgeschwindigkeit \(\left( {0 < {\omega _m} < {\omega _s}} \right)\) ist die in die Läuferwicklung induzierte Spannung U2 proportional zur Relativgeschwindigkeit des Läufers gegenüber dem Drehfeld des Stators.
Schlupf
Als Schlupf \(s = \dfrac{{{n_s} - n}}{{{n_s}}} \cdot 100\% \) bezeichnet man den Unterschied zwischen der synchronen Drehzahl ns des Statorfeldes und der tatsächlichen physikalischen Drehzahl des Läufers n.
- Bei der Synchronmaschine dreht sich der Rotor immer synchron zum vom Stator generierten Drehfeld. Die Synchronmaschine hat also im stabilen Betrieb s=0; Der Rotor kann dem Drehfeld lediglich um den Polradwinkel vorlaufen oder nachhinken.
- Eine Asynchronmaschine geht in den motorischen Zustand über, wenn der Läufer zufolge einer externen Belastung mit einer untersynchronen Drehzahl umläuft.
- Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann negativ \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\)
- Eine Asynchronmaschine mit stillstehendem Läufer verhält sich wie ein Trafo, bei dem das Wechselfeld durch ein Drehfeld ersetzt wurde.
Drehzahl der Asynchronmaschine
Die Nenndrehzahl des Drehstrommotors liegt bei etwa 1% .. 6% unterhalb der synchronen Drehzahl, also der des speisenden Netzes. Bei Nenndrehzahl beträgt der Schlupf 3% .. 8%. Ein größerer Schlupf erhöht die induzierte Spannung und damit den Läuferstrom, sowie dessen Frequenz und steigert das abgegebene Drehmoment.
Der dreiphasig gewickelte Schleifringläufer bietet die Möglichkeit die Drehzahl bis auf etwa 75% der Nenndrehzahl herunterzuregeln.
Die Drehmoment- über Drehzahl-Kennlinie kann in der Nähe der synchronen Drehzahl durch eine Gerade dargestellt werden. Die Neigung dieser Geraden kann durch das Zuschalten von Widerständen im Läuferkreis verändert werden, wodurch bei gleichbleibendem Moment eine Drehzahlstellung möglich wird, allerdings zu Lasten des Wirkungsgrads und auf Schleifringläufer beschränkt.
Beim Ausfall einer der drei Netzphasen etwa durch das Auslösen einer Sicherung, läuft der Drehstrommotor als Einphasenmotor weiter, wobei die Gefahr besteht, dass der Motor kippt und stehen bleibt.
Anlauf vom Aynchronmotor
Unabhängig von der Bauform des Läufers kann man unerwünscht hohe Anzugsströme der ASM auch ständerseitig reduzieren.
Man kann den Anzugstrom durch Verminderung der Klemmenspannung herabsetzen, leider reduziert sich damit das Anzugsmoment stark. Die Klemmenspannung kann auf mehrere Arten temporär vermindert werden: Mittels eines Spartrafos oder mittels eines Stern-Dreieck-Umschalters.
Beim Stern-Dreieck-Umschalter läuft die Maschine immer an derselben vorgegebenen Netzspannung (ULL=400V) zunächst in Sternschaltung der Ständerwicklung an, während der Betrieb der Maschine in Dreieckschaltung der Ständerwicklung erfolgt.
Der Anlaufstrom und leider auch das Anlaufmoment betragen in der Sternschaltung nur 1/3 der Werte der Dreieckschaltung. Wenn der Motor in Sternschaltung fast die synchrone Drehzahl erreicht hat, nimmt ihn der Stern-Dreieckschalter kurzzeitig vom Netz und schaltet den Motor dann in Dreieckschaltung wieder ans Netz. Durch das verminderte Anlaufmoment kann der Motor i.a. nicht unter Last hochlaufen, sondern diese muss durch eine Fliehkraftkupplung bei Nenndrehzahl zugeschaltet werden.
Anlasswiderstand
Man kann bei ASM mit Schleifringläufer in Reihe zu den drei Wicklungssträngen des Läufers einen dreiteiligen, regelbaren Widerstand schalten, der beim Anlassen voll eingeschaltet ist, wodurch der Läuferstrom I2 (Sekundärstrom) und auf Grund der Trafowirkung des ASM auch der Primärstrom im Ständer reduziert werden, was sich netzschonend auswirkt.
Dieser Anlasswiderstand befindet ausschließlich im Läuferkreis, er ist mit dem Drehstromsystem nicht in leitender Verbindung. Der Anlasswiderstand setzt aber nicht nur den Anzugstrom herab, sondern er bewirkt auch, zufolge des nun erhöhten ohmschen Widerstands, eine Verminderung der Phasenverschiebung zwischen dem Läuferstrom und dem Drehfeld, die ohne Anlasswiderstände knapp 90° beträgt. Dadurch entsteht eine Vergrößerung des Anzugsmoments bei noch kleiner Drehzahl.
Sobald sich der Läufer in Drehrichtung dreht, wird die Frequenz des Läuferstroms kleiner. (Würde der Läufer synchron mit dem Drehfeld umlaufen, würde die induzierte Wechselspannung zur Gleichspannung werden). Da die Frequenz gemäß \({X_L} = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot L\) in den Blindwiderstand der Läuferwicklung eingeht, bleibt der frequenzunabhängige Wirkwiderstand der Läuferwicklung unverändert. Daher verbessert sich bei höheren Drehzahlen die Lage der Läuferpole zu den Ständerpolen und das Drehmoment nimmt zu. Um die auftretenden Wärmeverluste zu vermeiden, schaltet man die einzelnen Widerstandsstufen des Läuferanlassers nacheinander ab. Der Schleifringläufermotor hat trotz des kleinen Anzugstroms ein großes Anzugsmoment.
Selten vorkommende Ständeranlasser reduzieren zwar auch den Anlaufstrom durch ihren Spannungsabfall, jedoch sinkt das Anzugsmoment quadratisch.
Anzugstrom
Der Nachteil von ASM ist der hohe Anzugstrom im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann. Er entsteht, weil der Läufer im ersten Einschaltaugenblick stillsteht, sodass das Ständerdrehfeld mit seiner vollen Periodenzahl von 50Hz induzierend auf die Läuferstäbe einwirkt. Dabei entstehen eine hohe Urspannung und ein hoher Läuferstrom.
Dieser Läuferstrom erzeugt ein Gegenfeld, wodurch das Ständerdrehfeld geschwächt wird und im Ständer ein starker Stromstoß auftritt. Sekundenbruchteile später setzt sich der Läufer in Bewegung und läuft dem Ständerdrehfeld nach. Damit sinkt die Zahl der geschnittenen Feldlinien und damit die Urspannung, sowie Läufer- und Ankerstrom.
Bei Leerlauf erreicht der Läufer fast die synchrone Drehzahl des Statordrehfeldes - der Schlupf ist minimal - wodurch die induzierte Spannung und entsprechend die Ströme sehr gering werden.
Anzugsmoment
Im Einschaltaugenblick wird im stillstehenden Läufer eine Wechselspannung mit vollen 50Hz induziert. Der induktive Widerstand - mit nur kleinem ohmschem Anteil - des Ankers kommt voll zur Geltung, wodurch sich eine Phasenverschiebung von fast 90° zwischen der im Läufer induzierten Spannung und dem sehr hohen Statorstrom ergibt. Lediglich infolge vom ohmschen Widerstand entsteht ein kleines Anzugsdrehmoment.
Mit zunehmender Läuferdrehzahl wird die Phasenlage günstiger und obwohl der Läuferstrom sinkt, steigt das Anzugsmoment. Bei einem Schlupf von ca. 25% hat das Drehmoment sein Maximum. (Im Leerlauf hat es sein Minimum). Bei weiterhin zunehmender Läuferdrehzahl fällt das Drehmoment wieder ab, da es bei einer synchronen Drehzahl zufolge des dann fließenden Gleichstroms im Läufer Null sein müsste.
Generatorbetrieb
Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch, durch eine Turbine, angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann, wie schon weiter oben angegeben, negativ gemäß: \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\). Da der Asynchrongenerator keine konstanten 50 Hz liefert, kann er auch nicht direkt in das elektrische Verbundnetz einspeisen.
Ein Asynchrongenerator kann aber seinen Magentisierungsstrom, also die Blindkomponente des Ständerstroms, nicht selbst erzeugen, sondern muss ihn aus dem Netz, in das der Asynchrongenerator seine Leistung einspeist, entnehmen. Das bedingt, dass der Blindstrom für die Erregung von einem im Netz erforderlichen Synchrongeneratoren geliefert werden muss.