„Elektrische Maschine“ – Versionsunterschied

Eine '''elektrische Maschine''' ist eine in der [[Elektrische Energietechnik|elektrischen Energietechnik]] eingesetzte [[Maschine]] und stellt eine Form von [[Energiewandlung|Energiewandler]] dar. Es wird unterschieden zwischen ''rotierenden'' elektrischen Maschinen, dazu zählen verschiedene Typen von [[Elektromotor]]en und [[Elektrischer Generator|elektrischen Generatoren]], und ''ruhenden'' elektrischen Maschinen, zu denen [[Transformator]]en gehören. Allen elektrischen Maschinen gemeinsam ist, dass sie in ihrem Aufbau über einen [[Magnetischer Kreis|magnetischen Kreis]] verfügen, der für die Funktion wesentlich ist.<ref name="Fischer1"/>

== Überblick ==

Elektrische Maschinen nutzen die Eigenschaften der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung]] und basieren auf der [[Elektromagnetische Induktion|elektromagnetischen Induktion]] und magnetischen Kraftwirkungen, die durch die [[Lorentzkraft]], und bei einigen Maschinentypen durch die [[Reluktanzkraft]], beschrieben werden.

Zu der Gruppe der ''ruhenden'' oder ''statischen'' elektrischen Maschinen zählen aus historischen Gründen nur die Transformatoren, und da insbesondere Transformatoren, die im Bereich der [[elektrische Energietechnik|elektrischen Energietechnik]], wie etwa die [[Leistungstransformator]]en, eingesetzt werden. Bei ruhenden elektrischen Maschinen spielen die magnetischen Kraftwirkungen nur eine untergeordnete bzw. unerwünschte Rolle, da dabei keinerlei Bewegungen ausgeführt werden und die Funktion eines Transformators darin besteht, [[Wechselspannung]]en zwischen verschiedenen hohen Spannungsniveaus zu transformieren.

Bei dem wesentlich größeren und im Folgenden ausschließlich dargestellten Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen, die durch eine Vielzahl verschiedener Bauformen und Einsatzbereiche geprägt sind, spielen die magnetischen Kraftwirkungen die zentrale Rolle. Sie dienen der Umsetzung elektrischer Leistung in mechanische Leistung an einer [[Welle (Mechanik)|Welle]]. Wird elektrische Leistung in mechanische Leistung umgesetzt, spricht man von einem [[Elektromotor]], wird in der Gegenrichtung mechanische Leistung in elektrische Leistung umgeformt, spricht man von einem [[Elektrischer Generator|elektrischen Generator]]. Einige elektrische Maschinentypen können sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden, die konkrete Funktion wird durch den Betriebsbereich der Maschine bestimmt. Aufgrund dessen kommt es auch in der begrifflichen Verwendung von Motor oder Generator zu Überschneidungen.

Jede Energieumwandlung ist mit einem Energieverlust in Form von Wärme verbunden. Ein Vorzug elektrischer Maschinen ist, dass ihre Verluste vergleichsweise klein sind, sie also einen hohen [[Wirkungsgrad]] erzielen. Elektrische Großmaschinen können Wirkungsgrade bis 99 % erzielen.

Die mit elektrischen Maschinen befasste industrielle Branche ist der Elektromaschinenbau. Elektrische Maschinen werden heute in sämtlichen Bereichen der [[Technik]], der Industrie, des Alltags, des Verkehrswesens, der Medizin und anderer Gebiete verwendet. Der Leistungsbereich elektrischer Maschinen erstreckt sich von Größenordnungen unterhalb von einem [[Watt (Einheit)|Mikrowatt]] (z.&nbsp;B. [[Uhrwerk]]e oder [[Mikrosystemtechnik]]) bis hinaus über ein Gigawatt (1&nbsp;GW = 1.000.000.000&nbsp;Watt), wie bei den im Kraftwerksbereich eingesetzten [[Turbogenerator]]en.

== Bestandteile ==

Elektrische Maschinen bestehen aus verschiedenartig angeordneten [[Spulenwickeltechnik|Wicklungen]], die vom elektrischen Strom durchflossen werden. Der dabei auftretende [[Magnetische Flussdichte|magnetische Fluss]] wird in einem magnetischen Kreis, der auch als ''Eisenkern'' bezeichnet wird, gezielt geführt. Dieser Kern besteht aus Materialien, die den magnetischen Fluss gut leiten können, beispielsweise aus geschichtetem [[Elektroblech]]. Die Schichtung dient zur Vermeidung von unerwünschten [[Wirbelstrom|Wirbelströmen]]. Teile dieses magnetischen Kreises stellt der [[Stator]] und der [[Rotor]] dar, bei manchen Maschinen auch als [[Anker (Elektrotechnik)|Anker]] bezeichnet. Die magnetischen Kräfte wirken auf diese unterschiedlichen Teile des Kerns und führen zu Bewegungen der Maschinenteile.

Zur elektrischen [[Isolierstoff|Isolation]] der stromdurchflossenen Teile gegeneinander und gegenüber der äußeren Umgebung weisen elektrische Maschinen Isolationsbereiche auf. Zur mechanischen Stabilisierung und Stützung der Maschine sowie eventuell zur Führung von beweglichen Teilen weisen sie weitere und verschiedenartige mechanische Konstruktionsteile wie [[Lager (Maschinenelement)|Lager]] auf.

== Bauformen ==

Eine Gliederung der rotierenden elektrischen Maschinen kann nach verschiedenen Kriterien erfolgen, die Einteilungen sind in der Literatur nicht einheitlich und durch Überschneidungen geprägt. Die Klassifizierung kann nach der verwendeten Stromart wie [[Gleichstrom]], [[Wechselstrom]] und [[Dreiphasenwechselstrom]] (ein mehrphasiger Wechselstrom, der durch entsprechende räumliche Wicklungsanordnung ein magnetisches [[Drehfeld]] erzeugt) erfolgen. Eine weitere Klassifizierung kann die Wirkungsweise der Maschine betreffen und zu einer Unterteilung in [[Kommutator (Elektrotechnik)|Kommutatormaschinen]], [[Asynchronmaschine]]n und Synchronmaschinen führen. Jede dieser Gruppen teilt sich in verschiedene Bauformen von Maschinen, die in weitergehende Klassen eingeteilt werden.

In folgender Tabelle ist eine beispielhafte und nicht vollständige Klassifizierung nach Stromart in vertikaler Richtung und nach Wirkungsprinzip in horizontaler Richtung, samt Hinweis auf mögliche Einsatzbereiche, als einfacher Überblick zusammengestellt.<ref name="Fischer1"/>

{| class="wikitable"

|-

! Stromart !! Kommutatormaschine !! Asynchronmaschine !! Synchronmaschine !! Beispielhafte Einsatzbereiche

|-

| Gleichstrom || [[Gleichstrommaschine]],<br/> [[Reihenschlussmaschine]],<br/> [[Nebenschlussmaschine]] || &nbsp; || &nbsp; || Feinwerktechnik, hochdynamische Gleichstromantriebe für Werkzeugmaschinen

|-

| Wechselstrom || [[Einphasen-Reihenschlussmotor]] || [[Spaltpolmotor]],<br/> [[Kondensatormotor]], <br/>[[Repulsionsmotor]] || [[Reluktanzmotor]] || E-Werkzeuge und Haushaltsgeräte, kleinere Pumpen, Feinwerktechnik

|-

| Dreiphasenwechselstrom || &nbsp; || [[Asynchronmaschine]],<br/> [[Schleifringläufermotor]],<br/> [[Linearmotor]] || [[Synchronmaschine]],<br/> [[Schenkelpolmaschine]],<br/> [[Vollpolmaschine]],<br/> [[Kaskadenmaschine]] || Industrieantriebe, Großpumpen, Fördertechnik, Turbogeneratoren in Kraftwerken

|-

| Impulsstrom || &nbsp; || &nbsp; || [[Bürstenloser Gleichstrommotor]],<br/>[[Schrittmotor]],<br/>[[Lavet-Schrittmotor]] || Hochdynamische Antriebe, Positionierantrieb, Uhrentechnik

|}

Asynchron- und Synchronmaschinen benötigen für ihren Motorbetrieb Mehrphasenwechselstrom bzw. erzeugen als Generator Mehrphasenwechselstrom. Üblicherweise ist dies [[Dreiphasenwechselstrom]], der im Bereich des Rotors ein Drehfeld erzeugt. Daneben gibt es Drehfeldmaschinen, die beispielsweise mit [[Zweiphasenwechselstrom]] betrieben werden, dies ist bei manchen Schrittmotoren der Fall. Die Asynchronmaschine mit [[Kurzschlussläufer]] ist als Antrieb weit verbreitet, da kostengünstig herstellbar und wartungsarm. Kennzeichnend für die Asynchronmaschine ist der [[Schlupf#Drehstrom-Asynchronmaschine|Schlupf]], der bewirkt, dass sich der Rotor nicht mit der gleichen Umdrehungszahl wie das magnetische Drehfeld bewegt.

Die Gruppe der Synchronmaschinen ist durch eine starre Beziehung der Rotordrehung mit dem Drehfeld gekennzeichnet. Beispiele von Synchronmaschinen sind die [[Schenkelpolmaschine]]n, die sich in Innen- und Außenpolmaschinen aufgliedern, und die Vollpolmaschinen, die in Form von [[Turbogenerator]]en im Kraftwerksbereich Einsatz finden. Zu den Synchronmaschinen zählen auch die Schrittmotoren und spezielle Ausführungen, wie der Lavet-Schrittmotor, und bürstenlose Gleichstrommotoren, wie es auch der [[Torquemotor]] darstellt. Bei diesen Synchronmotoren wird das Drehfeld mittels eines zusätzlich zum Motor nötigen [[Frequenzumrichter]]s mit [[Vierquadrantensteller]] erzeugt. Bei kleineren Leistungen werden dazu Verfahren wie die Blockommutierung angewendet, bei größeren Leistungen wird mittels Verfahren wie der [[Vektorregelung]] und [[Raumzeigermodulation]] gearbeitet.

Darüber hinaus gibt es noch spezielle Drehfeldmaschinen, wie die [[Kaskadenmaschine]], die beispielsweise als Generator in Windkraftanlagen Verwendung findet. Ein in der Nanotechnik eingesetzter Motor ist der [[Elektrostatikmotor]].

Die Kommutatormotoren können mit Hilfe des [[Kommutator (Elektrotechnik)|Kommutator]]s direkt an Gleichstrom oder einphasigen Wechselstrom betrieben werden. Beispiele von Kommutatormaschinen sind die Gleichstrommaschine und der Universalmotor, der mit Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden kann. Die Gleichstrommaschinen unterteilen sich in Nebenschlussmaschine und Reihenschlussmaschine.

Darüber hinaus gibt es elektrische Maschinen mit nur eingeschränkten Anwendungsbereichen wie die [[Unipolarmaschine]], die im Generatorbetrieb ohne Gleichrichtung direkt eine [[Gleichspannung]] liefert. Eine historische Bauform einer Unipolarmaschine stellt das [[Barlow-Rad]] dar. Darüber hinaus existieren aus dem Anfang der Elektrotechnik historische elektrische Maschinen, die wegen verschiedener Nachteile nur geringe oder keine Verbreitung gefunden haben. Dazu zählt unter anderem der [[Egger-Elektromotor]].

== Literatur ==

* {{Literatur

|Autor = Rolf Fischer

|Titel = Elektrische Maschinen

|Auflage = 14., aktualisierte und erweiterte | Verlag = Hanser | Ort = München | Jahr = 2009 | ISBN = 978-3-446-41754-0 }}

* {{Literatur

|Autor = Hans-Ulrich Giersch

|Titel = Elektrische Maschinen. Prüfen, Normung, Leistungselektronik

|Auflage = 5., korrigierte | Verlag = B. G. Teubner | Ort = Stuttgart u. a. | Jahr = 2003 |ISBN = 3-519-46821-2 }}

* {{Literatur

|Autor = Rudolf Janus, Hermann Nagel

|Titel = Transformatoren |Reihe = Anlagentechnik für elektrische Verteilungsnetze | Band = Bd. 5

|Auflage = Herausgegeben von Rolf R. Cichowski. 2. | Verlag = VDE-Verlag u. a. | Ort = Berlin u. a. | Jahr = 2005 | ISBN = 3-8007-2921-0 }}

== Einzelnachweise ==

<references>

<ref name="Fischer1">{{Literatur |Autor = Rolf Fischer |Titel = Elektrische Maschinen |Auflage = 14., aktualisierte und erweiterte | Verlag = Hanser | Ort = München | Jahr = 2009 | Kapitel = Kapitel 1: Allgemeine Grundlagen elektrischer Maschinen | ISBN = 978-3-446-41754-0 }}</ref>

</references>