Einführung in AC-Motoren

Nach der Einführung des DC-Stromverteilungssystems durch Edison in den Vereinigten Staaten begann ein schrittweiser Übergang zu dem kostengünstigeren AC-System. Die Beleuchtung funktionierte sowohl bei Wechselstrom als auch bei Gleichstrom.

Mit Wechselstrom wird elektrische Energie verlustärmer über längere Distanzen übertragen. Allerdings waren Motoren mit Wechselstrom ein Problem. Anfangs wurden AC-Motoren wie DC-Motoren konstruiert, aber aufgrund sich ändernder Magnetfelder traten zahlreiche Probleme auf.

Wechselstrom-Elektromotor-Familiendiagramm

Charles P. Steinmetz hat mit seiner Untersuchung der Hystereseverluste in Eisenankern zur Lösung dieser Probleme beigetragen. Nikola Tesla stellte sich einen völlig neuen Motortyp vor, als er sich eine sich drehende Turbine vorstellte, die nicht von Wasser oder Dampf, sondern von einem rotierenden Magnetfeld angetrieben wird.

Sein neuer Motortyp, der AC-Induktionsmotor, ist bis heute das Arbeitspferd der Branche. Seine Robustheit und Einfachheit sorgen für eine lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit und geringen Wartungsaufwand.

Doch kleine gebürstete AC-Motoren, ähnlich der DC-Variante, bleiben in kleinen Geräten zusammen mit kleinen Tesla-Induktionsmotoren bestehen. Über einer PS (750 W) herrscht der Tesla-Motor souverän.

Moderne elektronische Halbleiterschaltkreise treiben bürstenlose Gleichstrommotoren an mit AC-Wellenformen, die von einer DC-Quelle erzeugt werden. Der bürstenlose Gleichstrommotor, eigentlich ein Wechselstrommotor, ersetzt in vielen Anwendungen den herkömmlichen bürstenbehafteten Gleichstrommotor. Und der Schrittmotor , eine digitale Version des Motors, wird durch Wechselstrom-Rechteckwellen angetrieben, die wiederum von einer Halbleiterschaltung erzeugt werden.

Die obige Abbildung zeigt den Stammbaum der in diesem Kapitel beschriebenen Drehstrommotoren.

Kreuzfahrtschiffe und andere große Schiffe ersetzen Antriebswellen mit Untersetzungsgetriebe durch große Multi-Megawatt-Generatoren und -Motoren. Das ist bei dieselelektrischen Lokomotiven in kleinerem Maßstab seit vielen Jahren der Fall.

Diagramm auf Motorsystemebene

Auf Systemebene (Abbildung oben) nimmt ein Motor elektrische Energie in Form einer Potenzialdifferenz und eines Stromflusses auf und wandelt sie in mechanische Arbeit um. Leider sind Elektromotoren nicht 100% effizient. Ein Teil der elektrischen Energie geht aufgrund von I2R-Verlusten (auch Kupferverluste genannt) in den Motorwicklungen durch Wärme, eine andere Energieform, verloren.

Die Wärme ist ein unerwünschtes Nebenprodukt dieser Umwandlung. Es muss vom Motor entfernt werden und kann die Lebensdauer beeinträchtigen. Daher besteht ein Ziel darin, die Motoreffizienz zu maximieren und den Wärmeverlust zu reduzieren. Wechselstrommotoren haben auch einige Verluste, die bei Gleichstrommotoren nicht auftreten:Hysterese und Wirbelströme.

Hysterese und Wirbelstrom

Frühe Entwickler von Wechselstrommotoren stießen auf Probleme, die auf Verluste zurückzuführen waren, die nur bei Wechselstrommagneten auftreten. Diese Probleme traten bei der Anpassung von Gleichstrommotoren an den Wechselstrombetrieb auf. Obwohl nur wenige AC-Motoren heute eine Ähnlichkeit mit DC-Motoren aufweisen, mussten diese Probleme gelöst werden, bevor AC-Motoren jeglicher Art richtig konstruiert werden konnten.

Sowohl Rotor- als auch Statorkerne von Wechselstrommotoren bestehen aus einem Stapel isolierter Bleche. Vor dem Stapeln und Verschrauben in die endgültige Form werden die Lamellen mit Isolierlack beschichtet. Wirbelströme werden minimiert, indem die potentielle Leiterschleife in kleinere, weniger verlustbehaftete Segmente unterteilt wird. (Abbildung unten)

Die Stromschleifen sehen aus wie kurzgeschlossene Transformator-Sekundärwindungen. Die dünnen isolierten Laminate unterbrechen diese Schleifen. Außerdem erhöht das Silizium (ein Halbleiter), das der in den Laminierungen verwendeten Legierung zugesetzt wird, den elektrischen Widerstand, wodurch die Größe der Wirbelströme verringert wird.

Wirbelströme in Eisenkernen

Wenn die Lamellen aus kornorientiertem Stahl mit Siliziumlegierung bestehen, Hysterese Verluste werden minimiert. Die magnetische Hysterese ist ein Nacheilen der magnetischen Feldstärke im Vergleich zu einer Magnetisierungskraft. Wenn ein Weicheisennagel vorübergehend von einem Solenoid magnetisiert wird, würde man erwarten, dass der Nagel das Magnetfeld verliert, sobald der Solenoid entregt wird. Allerdings ist eine kleine Menge Restmagnetisierung , B_R , aufgrund der Hysterese bleibt (Abbildung unten).

Ein Wechselstrom muss Energie verbrauchen, -H_C , die Zwangskraft , um diese Restmagnetisierung zu überwinden, bevor sie den Kern wieder auf Null magnetisieren kann, geschweige denn in die entgegengesetzte Richtung.

Ein Hystereseverlust tritt jedes Mal auf, wenn sich die Polarität des Wechselstroms umkehrt. Der Verlust ist proportional zu der von der Hystereseschleife auf der B-H-Kurve eingeschlossenen Fläche. „Weiche“ Eisenlegierungen haben geringere Verluste als „harte“ kohlenstoffreiche Stahllegierungen. Kornorientierter Siliziumstahl, 4% Silizium, gewalzt, um die Korn- oder Kristallstruktur bevorzugt zu orientieren, weist noch geringere Verluste auf.

Hysteresekurven für verlustarme und verlustarme Legierungen

Nachdem das Steinmetzsche Hysteresegesetz Eisenkernverluste vorhersagen konnte, war es möglich, AC-Motoren zu konstruieren, die wie geplant funktionierten. Dies war vergleichbar mit der Möglichkeit, eine Brücke im Voraus zu entwerfen, die nach ihrem eigentlichen Bau nicht einstürzen würde.

Dieses Wissen über Wirbelstrom und Hysterese wurde zuerst auf den Bau von Wechselstrom-Kommutatormotoren angewendet, die ihren Gleichstrom-Gegenstücken ähneln. Heute ist dies nur eine untergeordnete Kategorie von Wechselstrommotoren. Andere erfanden neue Arten von Wechselstrommotoren, die wenig Ähnlichkeit mit ihren Gleichstrommotoren haben.