Quelltext der Seite Drehstrommaschine

[[Drehstrom]]-[[Maschine]] 

= Drehstrommaschine =
Eine '''Drehstrommaschine''' wandelt mechanische [[Energie]] in [[Drehstrom]] oder Drehstrom in mechanische Energie um. Sie kann als [[elektrischer Generator]] oder als [[Elektromotor]] betrieben werden. 
Als '''Drehstrommotor''' wird ein Elektromotor bezeichnet, der mit [[Dreiphasenwechselstrom]] betrieben wird. 

== Grundprinzip ==
[[Datei:Dreiphasenwechselstrom.svg|mini|rechts|Verlauf der drei Spannungen in einem Dreiphasensystem]] 
Drehstrommotoren werden mit [[Dreiphasenwechselstrom]] bzw. „Drehstrom“ betrieben. Diese Stromart führt in drei getrennten [[Leiter (Physik)|Leitern]] jeweils eine eigene [[Periode (Physik)|periodisch]] [[Wechselstrom|wechselnde Spannung]], deren zeitliche Abläufe gegenüber den anderen beiden Leiterspannungen um jeweils 120° vor- bzw. nachlaufend versetzt sind. 

Speist man drei [[Elektromagnet]]-[[Spule (Elektrotechnik)|Spulen]] mit jeweils einer Leiterspannungsphase des Drehstromsystems, dann wird in jeder Spule ein [[Magnetismus|Magnetfeld]] erzeugt, dessen zeitlicher Ablauf genauso wie der Spannungsverlauf gegenüber den anderen Spulenfeldern um eine Drittelperiode versetzt ist. 

Ordnet man diese drei Spulen in einem Kreis zueinander an, so ergibt sich aus den einzelnen Spulenmagnetfeldern ein summiertes Magnetfeld, das zwar von gleichbleibender Größe ist, seine Richtung jedoch exakt im Einklang mit der [[Frequenz]] bzw. der Periodenwiederholung des Drehstromes fortlaufend ändert. Dieses summierte Magnetfeld „dreht“ sich exakt mit der Geschwindigkeit, die durch die Frequenz vorgegeben ist. Bei 50 Periodenwechseln pro Sekunde des Drehstroms (bzw. 50 [[Hertz (Einheit)|Hz]]) dreht sich das Magnetfeld ebenfalls 50-mal in der Sekunde (entsprechend 3000-mal in der Minute) um sich selbst. 

Bringt man in dieses rotierende Magnetfeld an einer mittig angeordneten Achse einen magnetischen Gegenstand ein, beispielsweise einen Stab[[magnet]]en oder einen einfachen [[Eisen]]körper, so wird der Läufer, auch [[Rotor]] genannt, mitgedreht.

== Bauarten ==
Die Bauarten von Drehstrommaschinen werden in die beiden Hauptgruppen, die Synchron- und Asynchronmaschinen, unterteilt. Diese Gruppen unterteilen sich in verschiedene Läuferbauformen, wie im folgenden Diagramm dargestellt:

{| class="wikitable centered"
|-
! Einteilung der Bauarten von Drehstrommaschinen
|-
|
{{Stammbaum/Start |style=font-size:80%; margin:1em;}}
{{Stammbaum | | | | | | | | | | aaa | | | | | | | |aaa=Drehstrommaschinen |boxstyle=font-size:150%;background:#ffeeaa; border: solid 3px;}}
{{Stammbaum | | | | | |,|-|-|-|-|^|-|-|-|-|.| | | }}
{{Stammbaum | | | | | aaa | | | | | | | | bbb | | |aaa=[[Synchronmaschine]]n |bbb=[[Asynchronmaschine]]n |boxstyle=font-size:130%;background-color:#aaccff;}}
{{Stammbaum | |,|-|-|-|+|-|-|-|.| | | |,|-|^|-|.| }}
{{Stammbaum | aaa | | bbb | | ccc | | ddd | | eee |aaa=[[Dauermagnet|Permanent<br>magnetisch]] |bbb=[[Vollpolläufer]] |ccc=[[Schenkelpolläufer|Schenkelpol<br>läufer]] |ddd=[[Schleifringläufermotor|Schleifring<br>läufer]] |eee=[[Käfigläufer]]
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}}
{{Stammbaum/Ende}}
|}

=== Synchronmaschine ===
{{Hauptartikel|Drehstrom-Synchronmaschine}}
Bei Synchronmaschinen [[Rotation (Physik)|rotiert]] der Läufer immer synchron mit dem [[Drehfeld]]. Je nach Art des Läufers wird zwischen den [[Vollpolläufer]]n, wie sie beispielsweise bei [[Turbogenerator]]en Anwendung finden, und den langsam laufenden [[Schenkelpolmaschine]]n unterschieden. Beide werden [[Erregersysteme für Synchronmaschinen|elektrisch erregt]]. Einen Sonderfall stellen die mit [[Permanentmagnet]]en dauerhaft erregten Synchronmaschinen dar. Zu diesem Bereich zählt als Motor auch der [[Bürstenloser Gleichstrommotor|bürstenlose Gleichstrommotor]] der für den Betrieb zusätzlich eine eigene elektronische Kommutierung benötigt. Synchronmotoren werden oft in Anwendung eingesetzt, die eine präzise Geschwindigkeitssteuerung erfordern, wie z.&nbsp;B. in Robotersteuerungen, Aufzügen oder in der Energieerzeugung als Generatoren.<ref>{{Internetquelle |autor=GROSCHOPP AG Drives & More |url=https://www.groschopp.de/de/drehstrommotoren |titel=Drehstrommotoren - Robuste und nachhaltige Antriebslösungen für vielfältige Einsatzgebiete |werk=https://www.groschopp.de/de/drehstrommotoren |hrsg=GROSCHOPP AG Drives & More |abruf=2024-02-28}}</ref>

=== Asynchronmaschine ===
{{Hauptartikel|Drehstrom-Asynchronmaschine}}
Drehstrom-Asynchronmaschinen gibt es mit der Ausführung des [[Rotor]]s als [[Käfigläufer]] und als [[Schleifringläufermotor|Schleifringläufer]].

Bei dem Käfigläufer sind die Stromleiter im Läuferkörper kurzgeschlossen. Bei dem ähnlich aufgebauten Schleifringläufer haben die Stromleiter über [[Schleifring]]e eine Verbindung nach außen, womit im Läuferkreis zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens zusätzliche Widerstände eingebracht werden können. Bei beiden Maschinentypen wird durch das Drehfeld des Stators in den Leiterschleifen des Rotors ein Stromfluss und ein daraus resultierendes Magnetfeld induziert, das dem verursachenden Magnetfeld entgegengerichtet ist. Die resultierenden Kräfte üben ein Drehmoment auf den Rotor aus. Lässt man das Statorfeld rotieren, ‚schleppt‘ dieses den Rotor aufgrund oben beschriebener Wirkung mit. Zwangsläufig hat der Rotor eine geringfügig kleinere Drehzahl als das Statordrehfeld; dies wird als [[Schlupf]] bezeichnet. Bei Synchronlauf von Rotor und Drehfeld findet keine Induktion mehr statt, das übertragbare Drehmoment ist nahezu Null.

=== Drehrichtungsumkehr ===
Zur Änderung der Drehrichtung muss der Drehsinn des Ständerdrehfeldes geändert werden, beim Betrieb am Drehstromnetz genügt das Vertauschen zweier Außenleiter, z.&nbsp;B. Außenleiter L1 und L3. Eine übliche Schaltung dazu ist die [[Wende-Schützschaltung]].

In der praktischen Anwendung werden die Motorklemmen U2, V2 und W2 gebrückt und 
* beim rechten Drehfeld: L1 an U1, L2 an V1 und L3 an W1
* beim linken Drehfeld: L1 an W1, L2 an V1 und L3 an U1
angeschlossen.

=== Spulenanordnung des Stators ===
[[Datei:Dreispulenschaltung.svg|mini|rechts|Im Kreis angeordnete Spulen am Dreileitersystem.<br><small>Die Ausgangsleitungen der Spule können gemeinsam zusammengeschaltet werden, weil bei symmetrischer Belastung die Summe der Ströme immer Null ist.</small>]] 
Die Wirkung der drei Spulen lässt sich vervielfachen, indem sie jeweils paarig gegenüberliegend und in größerer Zahl über den Umfang des Statorkörpers verteilt werden. Wird jedes Spulenpaar direkt von dem Dreiphasenstrom mit der Netzfrequenz ''f'' gespeist, so ergibt sich dabei keine Drehzahlveränderung. Werden jedoch jeweils mehrere Spulenpaare für jede der drei Stromphasen hintereinandergeschaltet und jeweils gleichmäßig über den Statorumfang verteilt, wird dadurch die Drehzahl ''n'' des resultierenden Statormagnetfeldes entsprechend der beteiligten [[Polpaarzahl|Spulenpaarzahl]] ''p'' verkleinert. 

:<math>n=\frac{f_\mathrm{Netz}}{p}</math>

Diese Maßnahme wird durchgeführt, wenn niedrige Drehzahlen und ein besonders ruhiger und gleichmäßiger Lauf mit großen Lasten gefordert sind. Eine Erhöhung der standardmäßigen Drehzahl für „einpolige“ Drehstrommaschinen ist nur durch Erhöhung der Frequenz oder durch den Einsatz von [[Getriebe]]n möglich.

''Beispiel:'' Bei einem Motor mit pro Phase vier hintereinandergeschalteten und über den Stator verteilten Spulenpaaren ist bei einer Stromfrequenz von 50&nbsp;Hz die Umdrehungszahl ''N'' in gängigen Maßeinheiten:

: ''N'' = 50 Hz × 60 s/min : 4 Spulenpaare = 3000 : 4 / min = 750 / min

=== Eisenkern ===
Eine weitere Erhöhung der Effizienz ergibt sich dadurch, dass die Spulenwicklungen sowohl des Rotors als auch des [[Stator|Ständers]] in einen entsprechend geformten [[Eisenkern]] gebettet werden. Die [[Permeabilität (Magnetismus)|Permeabilität]] des Eisens führt zu einer Vervielfachung des Magnetflusses und daher auch der wirkenden Antriebskräfte und [[Drehmoment]]e. 

Für die praktische Ausführung werden die Eisenkernquerschnitte stets aus dünnem und isoliertem [[Elektroblech|Dynamoblech]] gestanzt und zum kompakten Kern zusammengesetzt. Das geschieht, um (wie beim [[Transformator]]) im Eisenkern auftretende [[Wirbelstrom|Wirbelströme]] und die durch sie bedingten Verluste abzuschwächen. 

Die Wicklungsnuten im Rotoreisenkern von Asynchronmotoren werden in der Fertigung der Einfachheit halber mit Aluminium so ausgegossen, dass am äußeren Umfang des Eisenkerns ein elektrisch kurzgeschlossener Aluminium-Leiterkäfig entsteht. Bei diesem Gießvorgang werden meist auch gleich Kühllüfterflügel mit angegossen.

=== Gehäuse ===
[[Datei:Machine asynchrone 8 kW.jpg|mini|Gehäuse eines 8&nbsp;kW-Drehstrom-Asynchronmotors in Bauform ''B5'' (Flansch)]] 
Das umschließende [[Gehäuse]] dient nicht nur zum Schutz, sondern auch zur sicheren und befestigten Aufnahme des Ständerblechpakets, der [[Kugellager|Lager]] für die Rotorwelle sowie der elektrischen Anschlussvorrichtungen. Das Gehäuse mit seinen Befestigungen dient auch als Gegenlager gegenüber dem vom Rotor angetriebenen Objekt. 

Vor allem bei großen Motoren ist eine weitere wichtige Funktion des Gehäuses auch die [[Kühlung|Wärmeabführung]]. Dazu werden äußere [[Kühlrippe]]n durch Belüftung gekühlt oder ins Metallgussgehäuse eingearbeitete Kühlkanäle von Wasser durchströmt.

== Literatur ==
* Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: ''Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik.'' 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3
* Peter Bastian, Günter Springer: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' 21. überarb. und erw. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1996, ISBN 3-8085-3431-1
* Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: ''Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik.'' 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9

== Siehe auch ==
* [[Anlassverfahren]]
* [[Synchron-Reluktanzmotor]]
* [[d/q-Transformation]]
* [[Clarke-Transformation]]
* [[Vektorregelung]]

== Weblinks ==
[[Kategorie:Wikipedia.de Artikel]]
*[http://www.sulzbacher.net/DrehstrommotorNennwerte.xls Nennwerte von Drehstrommotoren] ([[Microsoft Excel|MS Excel]]; 26&nbsp;kB)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4133267-2}}

[[Kategorie:Elektrische Maschine]]