Wie funktioniert eine elektrische Maschine?
Was ist eine Asynchronmaschine?
Asynchronmaschine bestehen auf zwei Hauptteilen: Rotor/Läufer und Stator. Der Rotor läuft im Betrieb als Generator mit höherer und als Elektromotor mit niedrigerer Drehzahl als das Drehfeld des Stators. Besser zu sagen, der Name „asynchron“-Motor rührt daher, dass bei diesem Motortyp der Rotor asynchron dem Stator-Drehfeld folgt.
Die Asynchronmaschine ist der heute am weitesten verbreitete Elektromotor. Er weist, vor allem als Käfigläufer, eine einfache Konstruktion auf und ist daher
• störungsfrei
• wartungsarm
• überlastbar
• kostengünstig in der Herstellung
Eine Asynchronmaschine besteht aus verschiedenen Teilen, die zusammenarbeiten, um die Funktionalität der Maschine zu gewährleisten. Hier sind einige wichtige Teile einer Asynchronmaschine:
- Stator: Der Stator ist der feststehende Teil der Asynchronmaschine. Er besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, in dem sich das Blechpaket mit den Statorwicklungen befindet. Die Statorwicklungen werden jeweils von drei phasenversetzten Wechselströmen durchflossen und erzeugen ein rotierendes magnetisches Feld, das als Drehfeld bezeichnet wird.
- Rotor: Der Rotor ist der bewegliche Teil der Asynchronmaschine. Es gibt verschiedene Arten von Rotoren in Asynchronmaschinen, einschließlich Käfigläufer und Schleifringläufer. Der Rotor ist im Inneren des Stators platziert und kann sich frei drehen. Das rotierende magnetische Feld des Stators induziert eine Spannung im Rotor, die einen Stromfluss erzeugt. Dadurch entsteht ein zusätzliches magnetisches Feld, das mit dem Statordrehfeld interagiert und ein Drehmoment erzeugt.
- Käfigläufer: Der Käfig des Rotors besteht aus leitendem Material, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, das in eine bestimmte Form gebracht ist.
- Lager: Die Asynchronmaschine verfügt über zwei Lager, die den Rotor im Stator lagern und eine reibungsarme Rotation ermöglichen. Es gibt verschiedene Arten von Lagern, einschließlich Wälzlagern und Gleitlagern, die je nach Anwendung und Maschinengröße verwendet werden.
Die Funktionsweise der Asynchronmaschine ist deutlich in folgendem Video gezeigt. Dafür wurde eine einfache Dose als Rotor verwendet, und man kann gut anschauen, wie das Magnetfeld der drei Spulen auf die Dose einen Einfluss nehmen.
Grundsätzliche Funktionsweise der elektrischen Maschinen:
Das Ampère’sche Gesetz besagt, dass ein elektrischer Strom ein magnetisches Feld erzeugt. In Asynchronmaschinen wird dies angewendet, um das magnetische Feld sowohl im Stator als auch im Rotor zu erzeugen. Dieses magnetische Feld kann durch verschiedene Materialien geleitet werden, einschließlich Luftspalten und ferromagnetischen Materialien mit spezifischen magnetischen Permeabilitäten. Die magnetische Permeabilität gibt an, wie leicht ein Material das magnetische Feld durchlässt. Der magnetische Fluss wird definiert als das Produkt aus der magnetischen Flussdichte (B-Feld) und der Fläche, die von der magnetischen Flussdichte durchdrungen wird.
Wird der magnetische Fluss von einer geschlossenen Leiterschleife oder einer Spule aufgefangen, so spricht man von magnetischer Flussverkettung. Die Veränderung der magnetischen Flussverkettung wird durch das Faradaysche Induktionsgesetz beschrieben, welches besagt, dass eine Änderung des magnetischen Flusses oder der Flussverkettung eine elektrische Spannung in einem Leiter erzeugt. Dieser Effekt wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet. In Asynchronmaschinen wird dies angewendet, um den Betrieb der Maschine zu ermöglichen. Das statorseitige magnetische Drehfeld, das durch die Statorströme erzeugt wird, durchdringt den Rotor. Da der Rotor jedoch nicht direkt mit Strom versorgt wird, entsteht eine magnetische Änderung der magnetischen Flussverkettung zwischen dem Rotor und dem statorseitigen Drehfeld. Diese Änderung induziert eine elektrische Spannung im Rotor, die als Rotorspannung bezeichnet wird. Die Rotorspannung erzeugt einen Stromfluss im Rotor, der ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugt. Dieses zusätzliche Feld interagiert mit dem statorseitigen Feld und erzeugt ein Drehmoment, das die Maschine antreibt.
Außerdem bildet die elektromagnetische Induktion die Grundlage für die Funktionsweise von Generatoren und Transformatoren. In Generatoren wird mechanische Energie in Form von Bewegung genutzt, um den magnetischen Fluss in einer Spule zu ändern, was eine elektrische Spannung induziert. In Transformatoren wird der magnetische Fluss in einer Spule durch Wechselstrom verändert, wodurch Spannungen in anderen Spulen erzeugt werden.