Moderne Stromrichterantriebe - Antriebssystem, Leistungselektronik, Maschinen, Mechantronik und Motion Control, Arbeitsweise drehzahlveränderbarer Antriebe mit Stromrichtern und Antriebsvernetzung. (Kamprath-Reihe)

5 Elektrische Maschinen (S. 85-86)

5.1 Allgemeine Grundlagen

Die in der Antriebstechnik eingesetzten elek trischen Maschinen sind auch heute noch überwiegend als drehende Maschinen ausgeführt, der Linearmotor erobert aber immer mehr spezielle Anwendungsfälle, auf die später eingegangen wird. Auch bei Piezomotoren oder -Aktuatoren [5.1] erfolgt der Einsatz im μm- Bereich bei Linearaufgaben. Beim Antrieb hat die elektrische Maschine als «Motor» die Aufgabe, elektrische Energie in mechanische zu wandeln (Motorbetrieb), immer häufiger soll sie bei drehzahlvariablen Antrieben im Generatorbetrieb bremsen und u.U. die Bremsenergie in das Netz zurückspeisen ( Nutzbremsung). Eine drehende elektrische Maschine besitzt 2 Hauptbauteile: den ruhenden Ständer und den drehenden mit der Welle verbundenen Läufer. Im Motorbetrieb wird der Ständerwicklung elektrische Energie zugeführt, die gewandelt über die Welle als mechanische Energie abfließt, d.h. mit der drehenden Welle über das Drehmoment an den «Verbraucher» übertragen wird. Nach dem Gesetz von «actio = reactio» tritt an der Befestigung des Ständers ein gleich großes, entgegengesetzt gerichtetes Reaktionsmoment zum Wellenmoment auf. Bei Linearmotoren wird das bewegliche Primärteil bestromt. Die Magnete oder die Kurzschlussplatten des Sekundärteils sind meist fest angeordnet. Historie Da am Beginn der Entwicklung der Energietechnik nur galvanische Elemente als Stromquelle vorhanden waren, entstand als erster elektromechanischer Energiewandler der Gleichstrommotor. Bereits 1834 treibt ein kleiner Gleichstrommotor (aus Batterien gespeist) ein Boot an (Tabelle 5.1). Möglichkeiten zur Drehmomenterzeugung Die Energieumwandlung in der Maschine findet unter Ausnutzung elektromagnetischer Felder statt. Diese bewirken induzierte Spannungen oder Kräfte, die als Kräfte auf stromdurchflossene Leiter oder als Grenzflächenkräfte an den Trennflächen zwischen Gebieten verschiedener Permeabilität – z.B. Luft/Eisen – auftreten. Im ersten Fall erfahren dabei die Leiter einer Spule Kräfte im Feld eines Magneten oder einer anderen Spule, im zweiten Fall entstehen die Kräfte an einem ferromagnetischen Körper im Feld einer Spule. Ein Energieaustausch tritt dann auf, wenn in Spulen Spannungen induziert werden, die zu Strömen führen – egal, ob die Anordnung von Spule und Magnet im Ständer und Läufer ist oder auch umgekehrt.

Es sind verschiedene elektromagnetische Mechanismen anwendbar, um den Wandlungsprozess herbeizuführen, daraus resultiert auch die Vielzahl der ausgeführten elektrischen Maschinen. Bild 5.1 zeigt die Ausgangsanordnungen für den Bau von drehenden elektrischen Maschinen, die Aussagen gelten für Linearmotoren sinngemäß. Ständer und Läufer bestehen aus koaxialen ferromagnetischen Zylindern. Man erhält die wichtigsten Systeme drehender Maschinen, wenn im Ständer und Läufer Spulen untergebracht sind a) oder eine Spule mit ei nem nichtrotationssymmetrischen Ständer oder Läufer zusammenarbeitet (b, c, d). Bild 5.1 e) zeigt die Entstehung des Linearmotors aus einem drehenden Modell (Synchronmotor) im Prinzip. Letztlich ist das Prinzip des Transversalflussmotors in Bild 5.1 f) dargestellt. Bei dem dargestellten Motor trägt der Läufer die Magnete. Eine Ringspule erregt den Motor. Auf die Ansteuerung wird später eingegangen. Im Fall a) erhält man die Grundform der Drehfeldmaschine, die als Asynchron- oder Synchronmaschine gebaut wird, bei der Synchronmaschine kann die Läuferspule auch durch Permanentmagnete ersetzt werden b). Bei einem Läufer ohne Erregung entsteht wegen des unterschiedlichen magnetischen Widerstandes (Reluktanz) ein Drehmoment: man erhält die Reluktanzmaschine c). Leistungsbilanz Jeder Austausch mechanischer Energie oder Leistung an der Welle muss mit einem Austausch elektrischer Energie oder Leistung über die Klemmen der Maschine einhergehen. Daher kann man die stationären auftretenden Kräfte bzw. Drehmomente des elektromechanischen Wandlers über eine Energie- oder Leistungsbilanz gewinnen, wie noch gezeigt wird. Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist die Kraftwirkung zwischen magnetischen Feldern für die Wirkungsweise der elektrischen Maschinen von grundlegender Bedeutung. Die Magnetfelder werden entweder stromerregt oder – neuerdings durch die Fortschritte in der Technologie – durch Dauermagnete erzeugt. Die stromführenden Spulen sind in den Maschinen heute zum Schutz der Leiter in mit Isoliermaterial ausgekleideten Nuten untergebracht, Ausnahmen bilden nur die Käfigwicklung des Kurzschlussläufers in Spritzgusstechnik oder die selbsttragende Ankerwicklung kleiner Gleichstrommaschinen.