Grundlagen elektrischer Maschinen

Allgemeines

Elektrische Maschinen sind Energiewandler. Energie ist das Produkt aus Leistung und Zeit.

Die elektrische Leistung ergibt sich aus den physikalischen Größen
  1. elektrischer Strom I und
  2. elektrische Spannung U
Die mechanische Leistung ergibt sich aus den physikalischen Größen
  1. Drehmoment M und
  2. Drehzahl n

Motor

Ein Motor Über die Multiplikation mit der Einschaltzeit t
ergibt sich die jeweilige Energie.
wandelt
elektrische Energie in mechanische Energie um.

Generator

Ein Generator Über die Multiplikation mit der Einschaltzeit t
ergibt sich die jeweilige Energie.
wandelt
mechanische Energie in elektrische Energie um.

Transformator

Ein Transformator (oder kurz Trafo genannt) Die elektrische Scheinleistung,
die er aufnimmt, gibt er
im Idealfall auch wieder ab.
überträgt
elektrische Energie von einer zur anderen Seite.

Trafo00 (35K)

Magnetische Grundlagen

In elektrischen Maschinen werden die magnetischen Erscheinungen ausgenutzt.

Begriffe zum Elektromagnetismus

Luftspule

Die magnetischen Feldlinien treten als Folge eines Stromes um einen Leiter auf. Legt man den Leiter in Schleifen zu einer Spule entsteht im Inneren der Drahtspule eine Ansammlung von Feldlinien, die sich mit jeder Windung verstärkt.

Die physikalische Größe ist die Sie ist das Produkt aus Elektrischem Strom und Windungszahl der Spule:
Durchflutung Theta in A
.

Die Spule wird also von Magnetischen Feldlinien durchflutet.

Diese Feldlinien zeigen ja die Richtung der mechanischen Kraft auf eine Kompassnadel oder noch kleiner - ein Molekularmagneteinen Magneten. Dabei ist die Kraft umso stärker, je kürzer dann ist der Messpunkt ja auch näher am Magnetpoldie Feldlinie ist.

Bei dieser Kraft spricht man auch von der Magnetischen Feldstärke H in A/m, wo das Beschriebene auch in der physikalischen Beziehung - also der
I ... el. Strom
N ... Windungszahl
lm ... Länge der magn. Feldlinen
Formel
- sichtbar wird.

Eisenspule

Steckt man in die Spule einen Eisenkern aus weichmagnetischen Werkstoffen, werden die Feldlinien noch verstärkt, wenn man dafür sorgt, das die Feldlinien sich in einem Eisenkreis schließen können.

Die physikalische Größe ist der Er ist das Produkt aus der Magnetischen Induktion B und des Querschnitt des Eisenkerns AFe
Magnetische Fluß Phi in Vs (Weber)
.

Ferromagnetismus und Hysterese

Die Magnetisierungskennlinie

In ihr wird der Zusammenhang zwischen Magnetischer Induktion B und Magnetischer Feldstärke H grafisch dargestellt.

Deutlich sichtbar ist darin die Das bedeutet: die Zunahme der Feldliniendichte ist trotz der Zunahme des Spulenstromes viel kleiner und irgendwann "Hat sie fertig". Dann kann der immer größer werdende Spulenstrom nur noch verheizt werden, weil das Mehr an Energie ja irgendwie umgewandelt werden mußSättigung des Elektromagneten ab B = 1.8 bis 2 Tesla, dem üblichen = kornorientiertes Blech (Si-legiert mit Angabe der Walzrichtung)Weicheisen für Wechselstrommaschinen.

Restmagnetismus oder Remanenz

Wird ein Elektromagnet ausgeschaltet, bleibt ein Teil des die sogenannte Remanenz BRRestmagnetismus. im Kern zurück.

Die Magnetisierungskurve bekommt Die Hysterese zeigt, das beim Ausschalten des Stromes die magn. Induktion nicht restlos abgebaut wird.zwei Verläufe. :

  • (1) ... Verlauf beim Einschalten (= Neukurve oder Magnetisierungskennlinie)
  • (2) ... Verlauf beim Ausschalten (Sie fällt weniger ab, und so bleibt eine Remanenz BR zurück)

Entmagnetisierung oder Koerzitivkraft

Um die Remanenz zu "zerstören", muss die Spule umgepolt werden (negative Stromrichtung).

Die Remanenz BR kann durch die Koerzitivfeldstärke HK durch Umpolung entmagnetisiert aufgehoben werden.

Die folgende Kennlinie zeigt Werte für die Koerzitivkraft und Remanenz einiger spezieller Werkstoffe für Dauermagnete:

Magnetische Durchlässigkeit oder Permeabilität

Die Magnetische Induktion B ist um den Faktor sprich: "Mü" = Zeichen für die Permeabilitätμ höher als die Feldstärke H.

Wäre μ eine Konstante, dann wäre das ist in Luft oder Vakuum tatsächlich der Fall, diese Stoffe besitzen die Permeabilität μ0 = 4π x 10-6Vs/Amdie Magnetisierungskennlinie kerzengerade . In der Sättigung wird μ aber rasch sehr klein, die Permeabilität ist alles andere als konstant. Diese magnetische Eigenschaft macht die Suche nach neuen Magnetwerkstoffen spannend.

Genauso spannend ist die Frage, wie stark kann eine Maschine magnetisiert werden. Denn im Magnetismus der Maschine steckt die Menge der erzielbaren Energie, sei es beim Generator oder beim Motor.

Ohmsches Gesetz des Magnetischen Kreises (Hopkinsonsches Gesetz)

Der Magnetische Fluß Φ ist umso größer, je mehr Durchflutung Θ eine Spule erzeugt und je kleiner der Der Magnetische Widerstand Rm ist.

Das klingt wie das Ohmsche Gesetz des Stromkreises

  Elektrizität Magnetismus
Ursache Elektrische Spannung U Magnetische Durchflutung Θ
Widerstand (Faktor) Ohmscher Widerstand R
Leitwert G
Magnetischer Widerstand Rm
Wirkung Elektrische Stromstärke I Magnetischer Fluß Φ
 


Die Idee der Analogie stammt von John Hopkinson
(* 28. Juli 1849 in Manchester; † 27. August 1898 in der Schweiz)
Hopkinson war ein britischer Physiker und Elektroingenieur mit zahlreichen Patenten zu elektrischen Maschinen.

Der magnetische Kreis wird demnach wie ein Stromkreis betrachtet:

Kraftwirkung im Magnetischen Feld

Zwei Wirkungen sind im magnetischen Feld besonders wichtig:

  1. Auf einen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem magnetischen Feld befindet, wirkt eine mechanische Kraft.
  2. Bewegen wir einen Leiter durch ein Magnetfeld, werden die freien elektrischen Ladungen in eine bestimmte Richtung gedrängt.

Motorregel

Der erste Effekt wird Motorprinzip genannt.
 F = B * l * I 

darin ist:
F die mechanische Ablenkkraft auf den Leiter im Magnetfeld,
B die Induktion des magnetischen Feldes
l die Länge des Leiters im Magnetfeld (wirksame Leiterlänge)
I der im Leiter fließende Strom

Generatorregel

Der zweite Effekt ist als Generatorprinzip bekannt.

 UQ = B * l * v 

darin ist:
UQ die induzierte elektrische Spannung,
B die Induktion des magnetischen Feldes
l die Länge des Leiters im Magnetfeld (wirksame Leiterlänge)
I Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters im Magnetfeld