Elektrische Maschinen


Motoren und Generatoren sind elektrische Maschinen. Sie  werden grob nach Typen: Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen und Gleichstrommaschinen sowie nach Leistungsklassen: Kleinstmotoren (bis 1W), Kleinmotoren (1W bis 0,75 kW), Motoren mittlerer Leistungsklasse (0,75 kW bis 375 kW) und Grossmotoren unterschieden. 

Synchromotoren haben entweder eine elektrische Erregung durch die Läuferwicklung oder sie haben eine permanente Erregung mit Permanentmagneten.

Wicklung

Kleine Motoren haben eine niedrige Spannung, der Leiter ist ein lackisolierter Kupferdraht mit Durchmesser von 12 mm bis einige Millimeter. Die Leiter werden per Hand oder mit einer Wickelmaschine auf einen Spulenkörper gewickelt.
Grosse Motoren haben eine mittlere Spannung: über 1 kV bis einschließlich 52 kV; die eckigen Leitersträngen mit Querschnittsflächen von mehreren Quadratzentimetern können nur durch massiv mechanische Umformung gewickelt werden. Die Isolationsfestigkeit wird mit Schichten von Isolierungsmaterialien von einigen Zehntel von Millimetern gewährleistet. Die Wicklungen von grossen Motoren können sowohl in Statoren als auch in Rotoren aus mehreren Stäben bestehen. Die gesamte Wicklung ist für ihre Spannungsklasse und höchste Temperatur isoliert.

Läufer mit lackisolierten Kupferdrähten eines kleinen Motors
 Läufer eines kleinen Motors

Geschnittete Ständerwicklung Geschnittete Ständerwicklung eines grossen Motors

 

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz-Normen wie IECC in Europa werden in den nächsten Jahren immer mehr Industriezweige erfassen. Um unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte zu liegen, werden die Betroffenen in eine effizientere Kühlung investieren müssen. Es müssen sowohl neue Maschinen als auch die bestehende Belüftungstechnik genauer ausgelegt werden. 

Erwärmung und Lebensdauer

Elektrische Maschinen haben einen hohen energetischen Wirkungsgrad. Wegen der großen umgewandelten Energiemengen erreichen aber die Wärmeverluste innerhalb der Maschinen trotzdem solche Größenordnungen, dass die Verluste mittels einer geeigneten Kühlmethode abgeführt werden müssen.

Da die Lebensdauer der Isolation der Wicklungen sehr stark von der Temperatur abhängt (eine 5 bis 8 Kelvin höhere Temperatur bewirkt etwa eine Halbierung der Lebensdauer), sind die Isolierstoffe nach Isolierstoffklassen eingeteilt. Für jede Isolierstoffklasse ist eine maximal zulässige Dauertemperatur vorgeschrieben, die im Betrieb der Maschine keinesfalls überschritten werden darf. Mit viel Kupfer in den Wicklungen und niedrigen Stromdichten werden die Wicklungstemperaturen zwar herabgesetzt, aber der Materialeinsatz wird stark vergrößert, was zu einer teuren und damit schwer verkäuflichen Maschine führt. Die Hersteller elektrischer Maschinen sind also bemüht, diese maximal zulässigen Temperaturen der Wicklungen auszunutzen (Materialersparnis), sie aber keinesfalls zu überschreiten. Im Überschreitungsfälle ist die betroffene Maschine nicht vertragskonform, womit der Hersteller wiederum ein Nachbesserungsrecht hat (Kosten) und im schlimmsten Falle der Kunde die Maschine zurückweisen kann (Kosten, Prestigeverlust).
Diese Zusammenhänge erklären eines der großen Anwendungsgebiete der CFD-Analyse. Mithilfe von Ergebnissen globaler oder partieller CFD-Untersuchungen zu dieser Problematik kann der Maschinenhersteller kostengünstige Maschinen anbieten, ohne sein technisches Risiko zu vergrößern.

Montage des Rotors des Hydrogenerators für Itaipu Anlage 18A
Installation des Läufers eines Hydrogenerators © Hydropower Consult

 Motor-Aufbau des vollpoligen Läufers eines Turbogenerators
Motor-Aufbau eines Turbogenerators