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Die meisten elektrischen Maschinen wurden vor über 120 Jahren erfunden und sind eine der Hauptanwendungen der Elektrotechnik. Fast die ganze elektrische Stromversorgung erfolgt über die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Generatoren und über ein Drittel der elektrischen Energie wird wieder mit Motoren in mechanische Energie umgewandelt. Da fast alle Motoren auch als Generator betrieben werden können, wird der Begri...
Der Asynchronmotor ist der am meisten verwendete Industriemotor. Er kann direkt (mit Motorschutzschalter) ans Drehstromnetz angeschlossen werden, er ist sehr robust und einfach zu bauen. Grosse Asynchronmotoren haben einen hohen Wirkungsgrad. Wegen diesen guten Eigenschaften ist dieser Antrieb international normiert, auch in der Energieeffizienz.
Bei der Dimensionierung eines Antriebsystems geht es darum, einen Antrieb zu finden, welcher eine Last im gewünschten Betriebsbereich betreiben kann. Damit ein Antrieb eine Last bewegen kann, muss er mehr Drehmoment als sie haben. Wenn er weniger hat, dann bewegt die Last den Antrieb oder das System bleibt im Stillstand. Wenn beide Kräfte (Drehmomente) gleich gross sind, befindet sich das System im Betriebspunkt.
Bei der Dimensionierung eines Antriebsystems geht es darum, einen Antrieb zu finden, welcher eine Last im gewünschten Betriebsbereich betreiben kann. Damit ein Antrieb eine Last bewegen kann, muss er mehr Drehmoment als sie haben. Wenn er weniger hat, dann bewegt die Last den Antrieb oder das System bleibt im Stillstand. Wenn beide Kräfte (Drehmomente) gleich gross sind, befindet sich das System im Betriebspunkt.
Kommutatormaschinen haben einen Kommutator, welcher abhängig von der Rotorlage die Stromrichtung in den einzeln verdrahteten Stromleitern des Rotors umschaltet. Der typische Vertreter dieser Maschinenart ist die Gleichstrommaschine, da solche Maschinen bei entsprechender Auslegung (Universalmotoren) auch mit Wechselstrom betrieben werden, wird hier als Oberbegriff Kommutatormaschine gewählt. Der Begriff Maschine wird verwendet, weil die meisten...
Die verschiedenen Elektromotoren wurden vor über 100 Jahren erfunden und haben sich bis heute nicht wesentlich verändert. Die Fortschritte in der Elektronik und bei den Permanentmagneten haben die Möglichkeiten der Antriebstechnik aber stark erweitert. Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen elektrischen Antriebssystemen und deren Bezeichnungen. Dieser Beitrag versucht, die einzelnen Antriebssysteme zu beschreiben und deren Vor- und Nachte...
Die Antriebstechnik umfasst die Disziplinen Elektrische Maschinen, Leistungselektronik, Regelungstechnik und Mechanik.
Die verwendeten Ausdrücke und Erklärungen beziehen sich auf das Fachgebiet der elektrischen Maschinen und der damit verbundenen Einrichtungen. Dieses Lexikon und das Glossary of drive systems entsteht im Auftrag von www.topmotors.ch.
Die verwendeten Ausdrücke und Erklärungen beziehen sich auf das Fachgebiet der elektrischen Maschinen und der damit verbundenen Einrichtungen. Wie das kleine deutsche Lexikon der Antriebstechnik entsteht dieses Glossar im Auftrag von topmotors.ch.
Vergleich der elektrischen und magnetischen Grössen in einer Matrix. Über die Mitte gespiegelt, sind bei den Einheiten nur die Spannung und der Strom vertauscht. Die Umwandlung von einer Grösse zur anderen erfolgt gespiegelt über die Mitte nach dem gleichen Prinzip. Für die induzierte Spannung und die Durchflutung ist hier die Windungszahl 1.
Diese Auflistung wurde aus meiner Büchersammlung zusammengestellt. Die Reihenfolge erfolgt nach dem Zielpublikum, dem Buchtyp und dem Preis (vergriffene Bücher am Ende)
Symbole des lateinischen Alphabetes.
Für die Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom mit Halbleiter gibt es folgende Schaltungen:
Für die Ansteuerung von elektrischen Antrieben werden oft Halbleiter eingesetzt. Da die entsprechenden Schaltungen und Komponenten für die Stromversorgung (Bereitstellung von elektrischer Leistung) eingesetzt werden, spricht man von Leistungselektronik. Zusätzlich sind die Spannungen und Ströme oft sehr viel höher, als in der übrigen Elektronik.
Für die Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom mit Halbleiter gibt es verschiedene Schaltungen mit Transistoren.
Die Dimensionierung von Transformatoren erfolgt über die magnetische Flussdichte im Eisen und die elektrische Stromdichte im Leiter. Die dauernd übertragbare Scheinleistung ist die Nennspannung mal der Nennstrom. Die Spannung und Frequenz ergibt die Anzahl Primärwindungen und den Eisenquerschnitt.
Die spezifischen Daten von Transformatoren können über Messungen oder über die Nachrechnung der Konstruktion bestimmt werden.
Der Transformator gehört zu den elektrischen Maschinen. Basis für das Verständnis des Transformators ist die Induktion. Der Transformator ist zu vergleichen mit einem Getriebe, welches hohe Drehzahlen (Spannungen) in tiefe transformiert, dafür aber kleine Drehmomente (Ströme) in Hohe umwandelt. Das ganze kann natürlich auch in die andere Richtung ablaufen.
Drehstrom ist die Bezeichnung für 3-phasigen Wechselstrom, welcher weltweit für grössere elektrische Leistungen zur Verfügung steht. Im Haushalt und für kleiner Leistungen wird 1-phasen Wechselstrom verwendet. Als Zwischenform wird hier noch der Zweiphasen-Wechselstrom und die Gleichstromübertragung erklärt.
Servoantrieb ist der Oberbegriff für einen Aktor, welcher sich für eine Positionierung eignet. Damit können pneumatische, hydraulische oder elektrische Antriebe gemeint sein. Oft ist damit eine Synchronmaschine mit Servoverstärker (besserer Umrichter) gemeint, welche auch als büstenlose Gleichstrommaschine (brushless DC-Drive = BLDC) bezeichnet wird. Üblicherweise wird sie mit einem Lagegeber (zum Beispiel Resolver) betrieben, hier sind abe...
Zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie wird hauptsächlich der Synchrongenerator verwendet. Wie bei der Asynchronmaschine kann die Synchronmaschine sowohl als Motor wie auch als Generator betrieben werden, wobei die Drehzahl immer gleichgross wie die Netzfrequenz oder ganze Teile davon ist, daher auch der Name. Synchrongeneratoren werden meistens auftragsbezogen hergestellt, brauchen Zusatzgeräte für die Erregung und Netzsy...
Die Synchronmaschine wurde früher fast ausschliesslich als Generator in Elektrizitätswerken von 1 kW bis 1,7 GW eingesetzt. Als Motor findet sie durch den Einsatz von Permanentmagneten für die Erregung und Leistungselektronik für die Ansteuerung (elektronische Kommutierung) eine grosse Verbreitung als Servoantrieb (von 1 W bis etwa 20 kW Nennleistung).
Beim Reluktanzmotor entsteht die Kraft im Luftspalt zwischen Eisen und Eisen (Maxwellkraft).
Verschiedene Sondermaschinen
Bei einer Transversalflussmaschine verläuft der magnetische Fluss axial und radial und je nach Ausführung über eine Polteilung tangential. Diese Topologie erlaubt den Einsatz einer zur Achse konzentrischen Ankerwicklung, bei der es keine Wickelköpfe gibt. Gegenüber den konventionellen elektrischen Maschinen, bei denen die Wicklungen ums Eisen gelegt werden, wird bei der Transversalflussmaschine das Eisen um die Wicklungen gelegt,...
Für die Bewegung eines Fahrzeug greifen im wesentlichen folgende 4 Kräfte an:
Als Ergänzung zu den Anforderungen bei der statischen Antriebsauslegung muss bei der dynamischen Antriebsauslegung eine bestimmte Drehzahl oder Position in einer vorgegebenen Zeit erreicht werden. Für die dazu notwendige Beschleunigung (oder Verzögerung) muss das Antriebssystem ein zusätzliches Drehmoment aufbringen. Je grösser die Beschleunigung ist, desto mehr Kraft ist erforderlich. In vielen dynamischen Maschinen braucht der Motor die me...
Unter Positionierung versteht man die Verschiebung einer Masse um eine Strecke in einer bestimmten Zeit. Zu Beginn und am Ende der Positionierung muss die Masse stillstehen, das heisst die Geschwindigkeit ist 0. Der Bewegungsverlauf kann beliebig erfolgen, für die Positionierung von Massen gibt es aber 3 Extremlösungen: Minimale Geschwindigkeit, minimale Beschleunigung (Kraft) und minimales Leistungsmaximum.
Basis der Antriebsdimensionierung ist die statische Antriebsauslegung. Es gilt die Bedingung, dass über den ganzen Drehzahlbereich das Lastmoment nicht grösser als das Antriebsmoment sein darf. Die Berechnung der Beschleunigung, der Einbezug von Getrieben und Umlenkeinrichtungen wird unter dynamischer Antriebsaulegung behandelt.
Bei der thermischen Antriebsauslegung geht es um die Überprüfung der zulässigen Erwärmung des Antriebes. Wenn ein Antrieb nicht über sein Nennmoment oder nur selten für kurze Zeit überlastet wird, so entfällt die thermische Antriebsauslegung.
Ein Elektromotor ist ein elektromagnetischer Energiewandler. Der eine Teil des Motors ist fest (Stator), der andere Teil beweglich (Rotor). Bei den meisten Motoren ist der Rotor innen, und überträgt mit einer Welle sein Drehmoment an die Last.
Magnetismus
Die Lorentzkraft wirkt in den meisten elektrischen Maschinen wie Gleichstrom-, Synchron- und Asynchronmaschinen.
Magnetische Grundgrössen zusammengefasst
Damit in einer elektrischen Maschinen Kraft entsteht, braucht es Magnetismus. Bei den meisten Antrieben erfolgt die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie über die Lorentzkraft (Leiter im Magnetfeld). Bei einigen Maschinen erfolgt die Umwandlung über die Maxwellkraft (Eisen im Magnetfeld). Das Eisen ist der Leiter für den Magnetismus, das Kupfer ist der Leiter für den Strom. Beide Leiter müssen sich gegenseitig umschlie...
Die Maxwellkraft wirkt bei Reluktanzmaschinen, Hubmagneten und Magnetlagersystemen.
Für ein hohes Drehmoment ist eine hohe Induktion (Remanenzinduktion Br) notwendig. Damit das Permanentmagnet aber durch hohe Ströme nicht entmagnetisiert wird, sollte auch die Koerzitivfeldstärke Hc hoch sein. Die günstigen Ferrit-Magnete haben keine hohe Remanenz aber eine mittlere Koerzitivfeldstärke. Aluminium-Nickel-Cobalt-Magnete (Alnico) haben eine hohe Remanenz sind aber leicht entmagnetisierbar. Samarium-Cobalt-Magnete (SmCo) od...
Bei magnetischen Wechselfeldern wie sie in elektrischen Maschinen vorkommen, entstehen im Eisen Wärmeverluste. Man unterscheidet zwischen Wirbelstrom- und Hystereseverlusten.
Wenn sich der magnetische Fluss ändert, wird in den diesen Fluss umschliessenden elektrischen Leitern eine Spannung induziert. Diesen Vorgang nennt man Induktion. Eine induzierte Spannung entsteht auch in der Wicklung, welche selber die Veänderung des Magnetflusses verursacht (Selbstinduktion). Die Stärke einer Induktivität wird in der Einheit Henry [H =Vs/A) angegeben.
Nenndaten einer 4-poligen Gleichstrommaschine mit dem Kennmoment von 135 Nm und der Baugrösse 132.
Bei der permanent- und fremderregten Gleichstrommaschine sind die Beziehungen für die Leistung sehr einfach.
Eine fremderregte Gleichstrommaschine, welche in der Feldschwächung betrieben wird, deckt mit einem Vierquadranten Gleichstromregelgerät ein grosses Kennlinienfeld ab.
Für die Erregung (Erzeugung des Magnetfeldes) gibt es folgende 5 Varianten:
Wicklungsarten
Aufbau von Elektromotoren Die Grösse eines Motors ist mit dem Abstand (mm) von der Welle zur Auflage definiert. Diese Distanz wird als Baugrösse bezeichnet. Für Asynchronmotoren ist diese Grösse normiert (IEC-Normmotor). Beispiel: Ein Motor der Baugrösse 100 hat eine Achshöhe von 100 mm und somit einen Durchmesser von etwa 200 mm. Zusätzlich gibt es bei grösseren Motoren noch 3 Längen: S für kurze, M für normale und L für lange.
Der Asynchronmotor ist der am meisten verwendete Industriemotor und kann problemlos auch als Generator eingesetzt werden. Asynchronmotoren sind sehr robust und können, abgesichert über einen Motorschutzschalter, direkt ans Drehstromnetz angeschlossen werden. Man benötigt keine zusätzliche Einrichtung für die Erregung und Synchronisation. Da die Asynchronmotoren normiert sind, werden sie auf der ganzen Welt in grossen Stückza...
Die folgenden Tabellen sind übliche Nenndaten von 2-poligen, 4-poligen, 6-poligen und 8-poligen der international standardisierten Asynchronmotoren (Käfigläufermotoren) für eine Nennspannung von 400 V und eine Nennfrequenz von 50 Hz. In einer eigenen Tabelle werden das Nenndrehmoment und die Nennleistung der verschiedenen Motoren verglichen. Seit einigen Jahren gibt es Asynchronmotoren (EFF1 und EFF2) mit besserem Wirkungsgrad.
Für die normierten Asynchronmotoren gibt es verschiedene Wirkungsgradbezeichnungen. Bei der IEC gibt es einen Teststandard (IEC 60034-2-1 vom 10.9.2007) für den Wirkungsgrad, bei dem auch die Zusatzverluste über den Leerlaufversuch gemessen werden. Die Klassen umfassen 2, 4 und 6-polige Motoren und sind für Nennleistung von 0.75 bis 375 kW definiert. Im der neuen Norm IEC 60034-30 sind die Energieklassen IE1 bis IE4 definiert. Di...
Die Berechnung des Drehmoments einer Asynchronmaschine erfolgt am einfachsten über untenstehendes vereinfachtes einphasiges Ersatzschaltbild. Bei dieser Berechnung werden die Sättigung, die Eisenverluste und die Stromverdrängung in den Rotornuten vernachlässigt.
Wie bei der Kommutatormaschine errechnet sich die Luftspaltleistung (die Leistung im Rotor) aus der Leerlaufdrehzahl mal das abgenommene Drehmoment. Die mechanische Leistung Pm ist Drehmoment man Drehzahl und die Verlustleistung im Rotor Pvr ist die Differenz aus der Luftspaltleistung und der mechanischen Leistung.