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Elektrische Maschine


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Der Begriff elektrische Maschine kommt aus der Elektrotechnik . Eine elektrische Maschine wandelt Energie um. Je nach Einsatz man von Generatorbetrieb (Wandlung von mechanischer Energie in elektrische) oder Motorbetrieb (Wandlung von elektrischer Energie in mechanische) oder von einem Transformator (Spannungswandlung und galvanische Trennung zweier Wechselstromkreise . Transformatoren wurden früher auch als "ruhende" Maschinen bezeichnet. Diese Bezeichnung ist heute aber mehr gebräuchlich. Transformatoren gehören deshalb mit zum elektrische Maschinen da sich Transformatoren und Maschinen größten Teil der zugrundeliegenden Theorien teilen. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang dass innerhalb großer Transformatoren nennenswerte mechanische Kräfte auftreten können die bei Konstruktion berücksichtigt werden müssen. Zu den nichtrotierenden Maschinen gehören z.B. die Linearmotoren wie sie beim der Magnetschwebebahn Anwendung finden.

Inhaltsverzeichnis

Mechanischer Aufbau

Elektrische Maschinen sind in den unterschiedlichsten zu finden. Die folgende Beschreibung beschränkt sich die gebräuchlichste Bauform für Elektromaschinen.

Diese Bauform enthält die folgenden Elemente:

  • Den Ständer oder Stator
  • Den Läufer oder Rotor
  • Die Welle
  • Das -meist zylinderförmige- Gehäuse
  • Lagerschilde
  • Die Wellenlager
  • Die Klemmen

Ständer und Läufer erzeugen das magnetische bzw. Erregerfeld. Man unterscheidet außen- und innenerregte Bei Außenerregung wird das Erregerfeld im Ständer im Läufer wird das Hauptfeld erzeugt. Bei Maschinen ist es umgekehrt.

Wie die Namen bereits nahelegen ist Ständer das mechanisch ruhende der Läufer das Element der Maschine.

Der genaue mechanische Aufbau von Ständer Läufer sind von der Art der Maschine

Der Stator bildet einen Hohlzylinder der Gehäuse umschlossen ist. In seinem Inneren befindet der zylinderförmige Läufer in dessen geometrischer Längsachse die Motorwelle befindet. Das zylinderförmige Gehäuse wird seinen Stirnseiten von den Lagerschilden abgeschlossen. In Mittelpunkten der Lagerschilde sind die Lager angebracht denen die Welle gelagert ist. Dies sind Kugel- oder Gleitlager; bei besonderen Bauformen werden auch hydraulische oder pneumatische Lagerungsverfahren angewandt.

Außen am Gehäuse sind die Klemmen über die die Maschine elektrische Energie mit Umwelt austauschen kann.

Funktionsprinzip

Allen elektrischen Maschinen ist gemein dass irgendeiner Weise ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird mit einem weiteren Magnetfeld wechselwirkt. Dabei wird Drehfeld über welches elektrische Energie mit der ausgetauscht wird als Hauptfeld bezeichnet. Das Magnetfeld dem Hauptfeld zur Wechselwirkung zur Verfügung steht als Erregerfeld bezeichnet: Die Maschine muss zum erweckt also "erregt" werden damit die Magnetfelder Kräfte aufeinander ausübern können.

Was ist ein Drehfeld?

Dazu ein Gedankenexperiment:

Man stelle sich einen Hufeisenmagneten vor dessen Polen ein Stabmagnet drehbar gelagert ist. man den Hufeisenmagneten um so wird sich Stabmagnet stets so ausrichten dass sein Südpol Nordpol des Hufeisenmagneten zeigt und umgekehrt. Beginnt nun den Hufeisenmagneten kontinuierlich zu drehen so der Stabmagnet dieser Drehbewegung folgen. Denkt man nun die Magnete weg und lässt nur von ihnen verursachten Felder überig so hat ein Drehfeld. Ein solches Feld muss nun ausnahmslos jeder elektrischen Maschine erzeugt werden um auch mechanische Drehbewegung erhalten zu können. Im Generatorbetrieb das Umgekehrte: Aus einer mechanischen Drehbewegung wird magnetisches Drehfeld erzeugt welches eine Drehspannung induziert.

Prinzipiell kann ein solches Drehfeld nun zwei Arten erzeugt werden:

- In Drehstrommaschinen werden drei (Bei Maschinen auch Vielfache von drei) Wicklungsstränge im Winkel von 120° angeordnet und jede Wicklung je eine Phase eines Drehstromsystems angeschlossen. Das Ergebnis ist ein Drehfeld. sind im Allgemeinen innenerregt. Sie werden entweder Synchron- oder Asynchronmaschine gebaut.

- In Gleichstrommaschinen (Auch Allstrommaschinen oder Kollektormaschinen) wir ein elektromechanisches Element welches auf der Welle mitrotiert verwandt eine Art künstliches Drehstromsystem im Läufer erzeugen. Dieses Element bezeichnet man als Kommutator oder auch Kollektor. Die elektrische Energie wird über Schleifbürsten mit der Umwelt ausgetauscht. ("Bürsten" hierbei eine traditionelle Bezeichnung heute finden normalerweise Kohlestifte verwendung). Auf Funktion und Aufbau des Kollektors soll später genauer eingegangen werden. Im einer Gleichstrommaschine wird ein Gleichfeld erzeugt welches Erregerfeld darstellt. Gleichtrommaschinen sind im Allgemeinen außenerregt.

Nun passiert in den Maschinen nichts als im Gedankenexperiment mit den beiden Magneten. Teil der Maschine der das Erregerfeld erzeugt die Rolle des Stabmagneten; jener welcher das erzeugt die des Hufeisenmagneten. Allerdings muss der nicht bewegt werden um das Drehfeld zu Diese Aufgabe übernimmt das speisende Drehstromsystem zusammen der geometrischen Anordnung der Feldspulen in der

Im Falle der (außenerregten) Gleichstrommaschine sind die Rollen von Stab- und Hufeisenmagnet vertauscht: Stabmagnet wird gedreht und der Hufeisenmagnet folgt

Typen

  

Gleichstrommaschinen

Gleichstrommaschinen sind hauptsächlich Gleichstrommotoren.

Eine Sonderform ist die Unipolarmaschine ein Generator zur Erzeugung großer Gleichströme.

Wechsel- und Drehstrommaschinen

Unter den Wechselstrommaschinen sind hauptsächlich Transformatoren und Drehstrommaschinen hauptsächlich Generatoren und Drehstrommotoren.

Vorkommen und Anwendung elektrischer Maschinen

Ohne elektrische Maschinen würden die Menschen im Dunkeln hocken oder vor eine Flamme in Form Kerze Lagerfeuer oder Öllampe oder ihre Elektrogeräte chemischer Spannung (Batterie) betreiben. Doch glücklicherweise haben wie Werner von Siemens und andere die Menschen davor bewahrt.

Schon bei der Generierung des wichtigsten Element ( elektrischer Strom ) unserer Zivilisation sind elektrische Maschinen in Form von Generatoren im Einsatz. Die auf 50 oder Hz synchronisierte Wechselspannung wird meist in dreifacher mit einer 120 Grad Phasenverschiebung erzeugt ( Drehstrom ).

Um den Strom möglichst verlustfrei zum zu bringen haben haben die Energieversorgungsunternehmen zwei
1.) sie verlegen eine Leitung mit großen Durchschnitt (A) um den Widerstand der so klein wie möglich zu halten. Der kann nach R 20 =ρ·l/A reduziert werden.
2.) oder sie verwenden eine stehende elektrische Maschine die ein Hilfsmittel für die Erkenntnis Herrn Ohm mit seinem elektrischen Widerstandes ist. Mathematisch physikalisch lässt dies in so erklären:

  • P=U*I und
  • U=R*I <=> I=U/R und beides zusammen
  • P=U*U/R

Die schließliche Erkenntnis dass die gleiche Energie mit gleichem Widerstandwert (d.h. gleichem Leitungsquerschnitt) der Erhöhung der Spannung transportiert werden kann die Energieversorgungsunternehmen die Zweite ist die Bessere billigere und verwenden Transformatoren um die Sparmaßnahmen umzusetzen.

Anders sieht es nun beim Verbraucher würden diese die hochtransformierte Spannung mit ihren verwenden gibt es auch hier zwei Möglichkeiten Gerät löst sich in Rauch auf oder qualmend nichtstuent stehen. Also transformiert eine stehende elektrische Maschine die Spannung wieder runter. Mit der Spannung betreiben nun die Menschen Ihre elektrischen Maschinen oder sonstige Geräte die Strom verbrauchen (hauptsächlich Unterhaltungsgeräte: Computer ...).

Baugrößen

Die größten elektromagnetischen Energiewandler sind Kernkraftwerksgeneratoren mit bis zu 1800 MW (in Entwicklung) 1600 MW (in Betrieb). Die größten Asynchronmaschinen die Speisewasserpumpen von Kernkraftwerken mit Nennleistungen von bis 25 MW und die beiden Asynchron-Motor-Generatoren Pumpspeicherwerkes Goldisthal/BRD mit einer Leistung von je MW mit variabler Drehzahl. Typische Mittelmaschinen im haben Nennleistungen im Bereich von 10 bis kW. Im Privathaushalt (z.B. Küchengeräte Staubsauger etc.) Motorenleistungen von 100 W bis 2 kW




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