18 Wechselstrommotoren
18.1 Das magnetische Drehfeld
18.1.1 Grundlagen
Bei einem magnetischen Drehfeld (rotating magnetic field) handelt es sich um ein magnetisches Feld, dessen Stärke zwar konstant bleibt, dessen Richtung sich aber periodisch ändert.
Dies wird in einem Innenpolgenerator genutzt, bei dem sich die gleichstromdurchflossene Rotorwicklung (= „Erregerwicklung“) dreht.
In einem Wechselstrommotor wird das Drehfeld auf andere Weise erzeugt. Dieser besitzt im Stator drei Wicklungen („Stränge“), die wie bei einem Drehstromgenerator um 120° räumlich verschoben sind. Werden die drei Wicklungen in Dreieckschaltung verkettet und an ein Dreiphasensystem angeschlossen, dann erzeugt jede Wicklung durch den Stromfluss (i1, i2, i3) ein magnetisches Wechselfeld (Φ1, Φ2, Φ3). Diese Felder sind um 120° räumlich verschoben und zusätzlich um 120° phasenverschoben.
Die Überlagerung dieser drei Wechselfelder erzeugt nun ein Drehfeld (Φd). Die Drehzahl des Drehfeldes wird als Drehfelddrehzahl nd bezeichnet.
Ein magnetisches Drehfeld ist die Überlagerung von mehreren magnetischen Wechselfeldern.
Anmerkung: im Bild 18-2 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die zeichnerische Darstellung der Verkettung der einzelnen Wicklungen im Generator und Motor verzichtet.
Befindet sich nun im Motor ein Magnet, dann dreht sich dieser mit dem Drehfeld mit. Der Magnet wird durch den Stromfluss in der Rotorwicklung des Wechselstrommotors erzeugt. Der Stromfluss kann auf zwei Arten erzeugt werden:
Spannungsinduktion in der Rotorwicklung
Zuführung eines Gleichstromes über Schleifringe und Bürsten
Abhängig davon, welches Prinzip genutzt wird, unterscheidet man zwei Bauformen von Wechselstrommotoren:
den Induktionsläufermotor und
den Synchronmotor.
Durch den Stromfluss in der Rotorwicklung wird diese zu einem Magneten, der durch das
Drehfeld in Rotation versetzt wird.
Anmerkung: in der Praxis werden die Statorwicklungen nicht wie in den Bildern 18-1 bis 18-3 konzentriert an drei Stellen am Stator angeordnet, sondern über den gesamten Umfang verteilt. Aus Gründen der Anschaulichkeit wurde jedoch diese Form der Darstellung gewählt.
18.1.2 Einflussgrößen auf die Höhe der Drehfelddrehzahl
18.1.2.1 Einfluss der Netzfrequenz
Der erste Einflussfaktor auf die Höhe der Drehfelddrehzahl ist die Netzfrequenz. Wird diese erhöht, dann verändern sich die einzelnen Wechselfelder der Statorwicklungen „schneller“. Damit wird die Drehfelddrehzahl erhöht.
Die Drehfelddrehzahl ist von der Frequenz abhängig. Umso höher die Frequenz, umso höher ist
die Drehfelddrehzahl.
18.1.2.2 Einfluss der Polpaarzahl
Der zweite Einflussfaktor auf die Höhe der Drehfelddrehzahl ist die Polpaarzahl der Statorwicklungen des Wechselstrommotors.
Für sie gilt (ohne Beweis):
Die Drehfelddrehzahl ist von der Polpaarzahl abhängig. Umso größer die Polpaarzahl, umso
niedriger ist die Drehfelddrehzahl.
18.1.2.3 Berechnung der Drehfelddrehzahl
Aus diesen Überlegungen kann nun die Berechnungsformel für die Drehfelddrehzahl nd abgeleitet werden:
Anmerkung: der Faktor „60“ in der Formel ist deshalb notwendig, da Drehzahlen üblicherweise in der Einheit „1/min“ oder „U/min“ angegeben werden.
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