L-E-A | Dr. Volker Bosch

Dienstleistungen und Lehrmittel

Funktionsweise einer Drehstromwicklung

Rechts oben ist eine Drehstromwicklung schematisch dargestellt. Das Blechpaket, in welches sie in der Regel eingebettet ist, fehlt hier jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit. Die drei Spulen U (gelb), V (grün) und W (violett) der Wicklung führen die drei Ströme I₁, I₂ und I₃ des speisenden Drehstromsystems.

Das Bild darunter zeigt die selbe Wicklung in „abgewickelter” Darstellung, das heißt, der Stator der Maschine wird fiktiv an einer Stelle aufgetrennt und die beiden Enden auseinander gebogen, so dass ein flaches Blechpaket entsteht. Wird an diese „abgewickelte” Wicklung ein Drehstromsystem angeschlossen, so bewegt sich über sie die blau dargestellte Durchflutungswelle hinweg.
Es werden also drei räumlich gegeneinander verschobene Spulen benötigt, die von einem Drehstromsystem aus drei zeitlich gegeneinander verschobenen Strömen gespeist werden. Bei einem dreiphasigen Drehstromsystem betragen die räumliche und die zeitliche Verschiebung jeweils 1/3 einer Periode, die einem räumlichen Winkel von 120° entspricht.

Das dritte und vierte Bild zeigen — nach dem Anklicken — als animierte Grafiken die vereinfachten Vorgänge in einer von drei sinusförmigen Strömen durchflossenen Drehstromwicklung. Das dritte Bild zeigt eine zweipolige Wicklung (p=1), das vierte eine vierpolige (p=2).
Im rechten Teil ist ein Drehstromsystem abgebildet. Die Zeiger in der linken Hälfte stellen die entsprechend bestromte Wicklung zum Zeitpunkt 0 dar. Sie entsprechen also dem Zustand des abgebildeten Drehstromsystems am linken Rand des Diagramms. Die drei bzw. sechs Spulen der Wicklung sind jeweils als Leiterstab-Paar und schematisch als konzentriertes Element in der Symmetrieachse des zugehörigen Leiterstab-Paares dargestellt, wobei die Farben den zugehörigen Phasen des Drehstromsystems entsprechen. Die positive Richtung jeder konzentrierten Spule ist nach außen gerichtet, also weg vom Mittelpunkt der Skizze, so wie es die zugehörigen Leiterstäbe nach Anwendung der „Rechten-Hand-Regel” vorgeben.
Jeder Spule ist ein Durchflutungsvektor zugeordnet. Die Richtung dieses Vektors wird von der Orientierung der Spule vorgegeben. Den Betrag bestimmt der in der Spule fließende Strom, multipliziert mit der Windungszahl der Spule. Die drei Durchflutungen addieren sich zur resultierenden Durchflutung, die als Welle mit konstanter Amplitude in der Statorbohrung der elektrischen Maschine umläuft, wie die kreisförmige Trajektorie zeigt.

Die letzten beiden Bilder zeigen die Vorgänge in der Wicklung eines zweipoligen bürstenlosen Motors (BLDC- oder EC-Motor). Das vorletzte Bild zeigt die idealisierten Vorgänge bei Blockkommutierung mit konstanter Amplitude der Strangströme, wie sie beispielsweise durch eine Stromregelung erzeugt werden kann.
Das letzte Bild stellt den tatsächlichen Verlauf der Durchflutungswelle bei Blockkommutierung mit konstanter Amplitude der an die Maschine angelegten Spannungen dar. Hierbei stellt sich ein Sägezahn-ähnlicher Stromverlauf ein, der dazu führt, dass die Trajektorie der Durchflutung eine unregelmäßige Form annimmt, die an ein Kreissägeblatt erinnert.

Um die Vorgänge in einer Drehstromwicklung physikalisch korrekt zu beschreiben, muss die Felderregerkurve der Wicklung betrachtet werden, die im nächsten Abschnitt beschrieben wird.