Grundlagen elektrischer Maschinen
Nach einer kurzen Einführung in das grundlegende Funktionsprinzip elektrischer Maschinen und das Drehstromsystem werden die drei wesentlichen Grundvarianten elektrischer Maschinen, die Asynchronmaschine, die fremderregte und die permanentmagnetisch erregt
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Grundlagen elektrischer Maschinen
Zusammenfassung
Nach einer kurzen Einführung in das grundlegende Funktionsprinzip elektrischer Maschinen und das Drehstromsystem werden die drei wesentlichen Grundvarianten elektrischer Maschinen, die Asynchronmaschine, die fremderregte und die permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine, vorgestellt. Es folgt ein Überblick über den konstruktiven Aufbau von Stator und Rotor dieser drei Motorvarianten. Anschließend werden die physikalischen Hintergründe der Rekuperation (Spannungserzeugung) und des motorischen Betriebs (magnetische Kraftwirkung) näher erläutert. Der Grunddrehzahlbereich und der Feldschwächbereich, die im zweiten Kapitel rein phänomenologisch vorgestellt wurden, werden nun auf Basis der magnetischen Eigenschaften des Motors im Detail vorgestellt. Den Abschluss des Kapitels bilden Überblicke über die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe und über die in elektrischen Maschinen auftretenden Verluste.
7.1 Funktionsprinzip Das grundlegende Funktionsprinzip elektrischer Maschinen basiert auf der Anziehung von Magnetpolen unterschiedlicher Polarität, siehe Abb. 7.1a. Der drehend gelagerte Rotor bestehe aus einem Magneten mit Nord- und Südpol. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Polpaar (p = 1) bzw. von zwei Polen (2p = 2). Beide Bezeichnungen sind gleichwertig und üblich. Real ausgeführte Maschinen haben meist mehr als zwei Pole, typisch sechs oder acht, manchmal auch viel mehr. Das Funktionsprinzip ändert sich nicht. Im Stator von Abb. 7.1a ist oberhalb und unterhalb des Rotors jeweils ein Magnet befestigt. Das grau gezeichnete Joch aus Eisen dient der Leitung des magnetischen © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 M. Doppelbauer, Grundlagen der Elektromobilität, https://doi.org/10.1007/978-3-658-29730-5_7
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a
b Stator
c Stator
Stator
Wicklung
N S
Rotor
Rotor N S
Abb. 7.1 Grundlegendes Funktionsprinzip eines elektrischen Motors
Flusses. In der Darstellung sind die magnetischen Feldlinien der beiden Statormagneten und des Rotormagneten als rot gestrichelte Linien angedeutet. Zum besseren Verständnis sind die beiden Felder getrennt gezeichnet. In Wirklichkeit überlagern sie sich zu einem resultierenden Gesamtfeld. Der Rotor aus Abb. 7.1a wird sich durch die Anziehungskraft der unterschiedlichen Pole im Uhrzeigersinn drehen. Allerdings endet die Bewegung, sobald er senkrecht ausgerichtet ist. Eine erste Verbesserung der Anordnung ist in Abb. 7.1b zu sehen. Die beiden Magnete des Stators wurden durch eine Drahtwicklung (Spule) ersetzt. Diese erzeugt das grün gezeichnete Magnetfeld, das sich in seiner Funktion und Wirkung nicht von dem der Statormagnete aus Abb. 7.1a unterscheidet. Es bleibt jedoch das Problem bestehen, dass der Rotor nur eine kurze Bewegung ausführt und dann in senkrechter Stellung verharrt. Dies wird durch die Einführung eines zweiten Spulenpaares im Stator gelöst, siehe Abb. 7.1c. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von zwei Phasen. Zunächst werde
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