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Magnetismus erklärt anhand eines Drehstromasynchronmotors - Referat
Magnetismus erklärt anhand eines Drehstromasynchronmotors
Einleitung:
Magnetismus ist die Lehre von den magnetischen Erscheinungen, ursprünglich von den Magneten und ihren Eigenschaften. Im späten 18. und frühen 19. Jahrhundert wurden die Theorien der Elektrizität und des Magnetismus.
Die Entwicklung des Asynchronmotors geht zurück auf Arbeiten von Galileo Ferraris 1885, Nikola Tesla 1887 und Michail von Dolivo-Dobrowolsky 1889. Letzterer baute den ersten Einfachkurzschlussläufer und später auch einen ersten Doppelkurzschlussläufer.
Ein Drehstromasynchronmotor wird in vielen Maschinen heutzutage verwendet.
Magnetismus:
Magnetisches Feld:
Das magnetische Feld hat die Eigenschaft, ohne materielle Verbindungen Kraftwirkungen auf Körper auszuüben. Die Elektrotechnik ist ohne die Anwendung von Magnetismus undenkbar, da man es z.B. für Energieumwandlung bei Elektromotoren benötigt.
Ein stromdurchflossener Leiter umgibt sich mit einem Magnetfeld, dessen Richtung mit Hilfe der Rechtschraubenregel bestimmt werden kann.
Dreht man eine Rechtsschraube so, dass ihr Vorschub in Richtung des Stromes weist, so gibt die Drehrichtung der Schraube die Magnetfeldrichtung an.
Die Ursache des Magnetfeldes ist der elektrische Strom. Die Richtung des Magnetfeldes um den stromduchflossenen Leiter ist von der Stromrichtung abhängig, das heißt eine Umkehr des Stromrichtung bedeutet eine Umkehrung der Magnetfeldrichtung.
Magnetische Feldstärke:
Die von einer spule erzeugte magnetische Durchflutung ist abhängig von Stromstärke und Windungszahl. Für die Durchflutung spielt die Feldlinienlänge keine Rolle, den bei einer kurzen Spule ist die Feldlinienlänge geringer als bei einer langen Spule.
H=Θ/lm=(l×N)/lm
H = magnetische Feldstärke in □(A/m)
Θ = Durchflutung in A
lm = mittlere Feldlinienlänge in m
l = Stromstärke in der Spule in A
N = Windungszahl der Spule
Magnetischer Fluss:
Die Summe aller Feldlinien wird magnetischer Fluss Φ genannt. Die Einheit des magnetischen Flusses ist Voltsekunde (Vs). Daher gilt: 1Vs= 1 Wb (Weber) [Bild S.24]
Magnetische Flussdichte:
Die magnetische Flussdichte B ist ein Maß für die Dichte der Feldlinien, d.h. für die Anzahl der Feldlinien pro Flächenelemente.
B=Φ/A
B = magnetische Flussdichte in T (Tesla) [B]=□(Vs/m²=T)
Φ = magnetischer Fluss in Vs
A = von Feldlinien senkrecht durchsetzte Fläche
Die Flussdichte ist ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes. Je stärker das Feld, desto größer die Feldlinienanzahl pro Flächenelement. [Bild S.24]
Bestimmung des Drehfeldes:
Bei Anschluss an Dreiphasen-Wechselspannung hat das Drehfeld eine konstante Größe und wird daher als symmetrisches oder kreisförmiges Drehfeld bezeichnet. Die Drehzahl des synchron umlaufenden Magnetfeldes richtet sich nach der Polpaarzahl des Motors und der Frequenzder angelegten Netzspannung.
n0=(f*60)/p
n0= Umdrehung in min -1
f= Frequenz in s-1
p= Polpaare
Typenschild:
Erläuterung des Typenschilds
Das Typenschild informiert den Benutzer über die Betriebsbedingungen und -grenzen der jeweiligen Motoren und steckt damit die Gewährleistung seitens des Herstellers ab. Angaben, die sich auf den Normalbetrieb beziehen, wurden früher mit der Vorsilbe "Nenn-", heute mit "Bemessungs-" belegt.
Folgende Bemessungsdaten lassen sich am Motor ablesen:
Einsatz der Maschine: Motor (Mot), Generator (Gen)
Stromart: Gleichstrom (-), Wechselstrom (~),
Drehstrom (3~)
Bemessungsspannung: U in V
Bemessungsstrom: I in A
Bemessungsleistung: P in kW (max. abgegebene Leistung)
Leistungsfaktor im Bemessungsbetrieb: cos𝜑
Bemessungsfrequenz: f in Hz
Bemessungsdrehzahl: n in min-1
Drehrichtung: → Rechtslauf, ←Linkslauf,
↔Umkehrbetrieb (Blick auf Antriebsseite)
Bauform: B3, V10, ...
Schutzart (IP): 00, 44, 54, ...
Isolierstoffklasse (I. Kl.): A, B, ...
Betriebsart: S1, S2, ...
Norm und Kühlung VDE530, Luft 6m3 s
[Bild vom Typenschild]
Berechnung der zugeführten und abgeführten Leistungen
Aufbau:
Der Ständer besteht aus dem Gehäuse, dem Ständerblechpaket und der Ständerwicklung.
In der Ständerwicklung bestehen eine Anzahl von Einzelspulen. Die Einzelspulen werden um 120° versetzt angeordnet. Die Spulenanfänge und Ende werden an das Klemmbrett geführt. Der Läufer besteht aus der Welle, Läuferblechpaket, Stäben in den Nuten des Blechpaket und zwei Kurzschlussringen. Ohne Blechpaket bilden die Stäbe und Kurzschlussringe einen Käfig, deshalb nennt man auch Käfigmotor. Das Ständer- und Läuferblechpaket sind aus einseitig isolierten Elektroblechen geschichtet, weil dadurch Wirbelstromverluste verringert werden können. Die Käfigwicklung setzt sich zusammen aus Kupfer, Bronze oder Aluminiumstäben, die in die Nuten des Blechpakets eingelegt oder eingegossen werden. Die Nuten und die Stäben sind einfach oder doppelt geschränkt, damit der Läufer sich geräuschärmer dreht. Bei größeren Motoren gibt es gelötete Käfige aus Kupferstäben. Die Form der Käfige kann verschieden sein. Meist sind die Stäbe schrägt gestellt, damit das
Herstellung:
Material des Stators
Bei Wechsel- und Drehstrommaschinen besteht das Ständerpaket (bzw. Läuferpaket), also die magnetisch beanspruchten Teile der Maschine, aus so genannten aktiven Eisenmaterial. Dieses aktive Eisenmaterial ist aus Dynamoblech was in verschieden Qualitäten und Stärken hergestellt und von einer Seite mit Seidenpapier beklebt wird, um die Eisenverluste herabzusetzen. Mit der Güte des Bleches sinken die Abmessungen des aktiven Eisenmaterials, weil das hochwertige Blech eine geringere Magnetisierung erfordert und daher auch höher gesättigt werden kann.
Die Qualität der Dynamobleche wird nach den Wattverlusten in W/kg angegeben z.B. bei Dynamoblech mit der Stärke von 0,5 mm liegen die Wattverluste bei etwa 2-3,6 W/kg.
Herstellung der Nutenisolierung:
Um die Wicklung vom Ständerpaket zu isolieren muß eine Nutenisolierung angefertigt werden. Zu beachten ist hierbei die Isolierstoffklasse die auf dem Typenschild der Maschine eingetragen sein sollte. Es gibt verschiedene Isolierstoffklassen nach DIN 0530 T1/07.91. Die wichtigsten sind nach meiner Erfahrung die Klassen B (bis 130°) und F (bis 155°). Die Isolierung muss eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit besitzen und sollte außerdem schmiegsam, knickfest, reißfest und druckfest sein. Eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit und Wärmedurchlässigkeit haben. Heute gibt es Isolationsmaschinen die die Nutenisolation selbständig herstellen. Diese Isolationsmaschinen schneiden die benötigte Länge der Isolierung ab und börtelt wenn benötigt meist zwei Sollknickstellen auf das Isolationsband, welches in verschieden Breiten im Fachhandel erhältlich ist. Danach börtel der Elektromaschinenbauer jeweils am Anfang und am Ende der Isolation noch eine ca. 4 mm Breite Sollknickstelle. Diese soll verhindern, dass die Isolation beim Einlegen der Spulen im Paket hin und her rutscht. Dann ist es endlich soweit die Isolation wird in die Nuten des Ständerpaketes geschoben.
Herstellung der Spulen:
Beim Entfernen der alten Spulen aus dem Ständerpaket werden einige Spulen aufgehoben, zum Zählen der Windungszahl und zur Feststellung des Drahtdurchmessers, woraus sich der Querschnitt errechnen lässt. Die Wickelmaschinen der heutigen Generation sind so fortgeschritten, dass man heute in der Lage ist auf Grund eines angefertigten Drahtmaßes und verschiedener Spulenwickelkörper, auch Schablonen genannt, die Träufelspulen automatisch wickeln zu lassen.
Einlegen der Spulen in das Statorpaket:
Die meist praktizierte Wickelart bei Instandsetzungsarbeiten ist die der Träufelwicklung, wobei die Spulen mit ihren einzelnen lacküberzogenen Kupferdrähten in die bereits abisolierten Nuten geträufelt werden. Dieses geschieht nach einem ganz bestimmten Schema auch Wickelschema genannt (bei der praktischen Vorführung zeigte ich ein 4-poliges Dreiphasen-Einsicht-2-Etagen-Motorwickelschema). Beim Einlegen der Träufelspulen kommt es hauptsächlich auf die Geschicklichkeit des Elektromaschinenbauers an. Jede einzelne Nut wird nach dem Einlegen der einzelnen Teilspulen mit einem sogenannten Isolationsdach verschlossen.
Zu beachten ist beim Einlegen der Träufelspulen der Wickelschritt (bei der praktischen Vorführung war es ein Schritt von 1:8:10:12, entspricht einem 4-polige Motor mit 36 Nuten) und die Verschaltung der Anfänge und Enden der einzelnen Spulen (die bei der praktischen Vorführung aus 3 Teilspulen bestand). Aufgrund des Stromes bilden sich, nach dem Wickelschema und der Verschaltung, Pole aus.
Bandagieren der Wickelköpfe:
Beim bandagieren werden die beiden außerhalb des Blechpaketes liegenden Wickelköpfe (der untere Wickelkopf und der obere Wickelkopf der Schaltseite) mit einem Glasfaserband einbandagiert. Dabei ist zu beachten, dass die beim Unterlegen eingebrachte Isolation nicht verrutscht. Das Bandagieren ist besonders wichtig bei einer Instandsetzung eines Läufers, wegen der doch sehr hohen auftretenden Fliegkräfte.
Beispiel einer Bandagierung bei einem Ständerpaket:
Nach dem Bandagieren wird die Maschine mehreren Prüfungen unterzogen bevor sie imprägniert wird.
Imprägnieren eines Statorpakets:
Es gibt mehrere Arten der Imprägnierung. Sie verfolgen alle die selben Zwecke z.B. die Entziehung der Feuchtigkeit aus der Wicklung, das Verbacken der einzelnen Leiter innerhalb und außerhalb des Blechpakets, Steigerung der Wärmeleitfähigkeit, Verbesserung des Isolationswiderstandes zwischen Wicklung und Blechpaket. Sowie gegen mechanische Einflüsse wie Rüttelkräfte, Schwingungskräfte und Fliegkräfte bei umlaufenden Wicklungen (Läufer). Es gibt vier verschiedene Methoden im Elektromaschinenbauhandwerk der Imprägnierung: Das Tauchverfahren, das Überflutungsverfahren, das Vakkumverfahren und das Vorimprägnierverfahren. Ich selbst habe während meiner Facharbeiterzeit das Tauchverfahren und das Überflutungsverfahren kennengelernt. Das Ständerpaket mit der Wicklung kommt nach dem Überziehen mit dem Kunstharzisolierlackes zum Trocknen in den Trockenofen, wo der Lack mit der Wicklung verbacken wird und durch die Verdunstung der Lösungsmittel trocknet. Beim Lackieren sollte darauf geachtet werden, daß die Person die lackiert eine Atemschutzmaske trägt.
Noch mehr Informationen zum Thema Magnetismus findest du in diesem informativen Glossar
Quellen:
Elektrische Maschinen von Fehmel/Flachmann/Mai
Elektrotechnik/ Energietechnik
Fritz Raskop: Katechismus der Ankerwickelei
Westermann Formelsammlung der Elektritechnik
Wikipedia
Encarta
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: patninb
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