L-E-A | Dr. Volker Bosch

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Animierte Felderregerkurven

Die Bilder am rechten Rand dieser Seite stellen die Felderregerkurven verschiedener Drehstromstatoren dar. Diese Kurven zeigen die Durchflutung längs der Bohrungsoberfläche eines bestromten Stators. Über jeder Nut ändert sich diese Kurve sprungartig um den Wert der Durchflutung der in dieser Nut liegenden Spulenseiten bzw. Leiterstäbe.
Die Bilder können angeklickt werden und zeigen die Vorgänge dann als Animation. Im kleinen oberen Teil-Fenster ist eine Periode der drei speisenden Ströme über der Zeit dargestellt. Das große Fenster zeigt rot die Felderregerkurve. Dunkelblau ist die Grundwelle dieser Felderregerkurve eingezeichnet, die sich nun gleichförmig über den Stator der Maschinen hinweg bewegt. Als Referenz ist die Durchflutung des Rotors in hellblau schematisch dargestellt.

Verteilte Wicklungen

Das erste animierte Bild zeigt eine verteilte zweipolige (p=1) Drehstromwicklung in einem sechsnutigen (N=6) Stator (N6P1). Verteilte Wicklung bedeutet, dass sich die einzelnen Spulen dieser Wicklung überlappen, wie in der Prinzipdarstellung oben gezeigt.

Das zweite Bild zeigt ebenfalls eine verteilte zweipolige Drehstromwicklung. Jedoch weist der Stator hier 12 Nuten auf (N12P1). Es zeigt sich, dass die resultierende Felderregerkurve durch diese Maßnahme deutlich besser an die gewünschte Sinus-Form angepasst ist oder, anders gesagt: sie weist einen geringeren Anteil von Oberwellen auf.

Konzentrierte Zahnspulenwicklungen

Eine Drehstromwicklung kann auch so aufgebaut werden, dass sich die einzelnen Spulen nicht überlappen. Man spricht dann von einer konzentrierten Wicklung oder einer Zahnspulenwicklung. Diese bietet wickeltechnisch große Vorteile, hat jedoch den Nachteil, dass ihre Felderregerkurve einen hohen Anteil von Oberwellen aufweist. Diese Oberwellen sind in der Regel unerwünscht, da sie zu einem ungleichmäßigen Drehmoment, zu sog. Rüttelmomenten oder Momentenpulsationen der Maschine führen. Neben der damit verbundenen Geräuschentwicklung kann ein solches Rüttelmoment auch zu Qualitätseinbußen bei der angetriebenen Arbeitsmaschine führen, wie beispielsweise bei Werkzeugmaschinen. So leidet beispielsweise die Oberflächenqualität bei Fräs- oder Schleifmaschinen unter der aus dem Rüttelmoment resultierenden ungleichmäßigen Drehzahl des Werkzeugs.

Das dritte grau hinterlegte Bild zeigt die Felderregerkurve einer Zahnspulenwicklung mit drei Nuten bzw. mit drei bewickelten Zähnen und einem Polpaar (N3P1). Das vierte zeigt eine Zahnspulenwicklung mit neun bewickelten Zähnen und fünf Polpaaren (N9P5). Bei dieser Wicklung fällt auf, dass sich die Durchflutungswelle scheinbar langsamer bewegt als das speisende Drehstromsystem. Nach einer Periode des Drehstromsystems hat die Welle nur 1/5 der Statorbohrungs-Oberfläche überquert. Die mechanische Frequenz einer elektrischen Maschine ist also um den Faktor 1/p geringer als die Frequenz des speisenden Drehstromsystems.

Der Anblick der animierten Felderregerkurven von Zahnspulenwicklungen weckt Assoziationen mit den auf- und abwärts schwingenden Kolben eines Verbrennungsmotors. In der Tat lässt sich eine gewisse Analogie feststellen: Die schwingenden Kolben eines Verbrennungsmotors entsprechen den auf- und abschwellenden Strömen eines Drehstromsystems. Beim Verbrennungsmotor wandelt die Kurbelwelle diese Schwingungen in eine Rotation um, bei der elektrischen Maschine wandelt die Drehstromwicklung die einzelnen Schwingungen des Drehstromsystems in die im Stator umlaufende Durchflutungswelle um.

Wicklungen mit mehr als drei Strängen

Auch andere Strang- bzw. Phasenzahlen als drei erzeugen in entsprechenden Statoren umlaufende Durchflutungswellen. Das fünfte Bild am rechten Rand zeigt eine fünfsträngige (m=5) verteilte Einschicht-Wicklung mit 10 Nuten und einem Polpaar im Betrieb an einem symmetrischen Fünfphasen-System. Darunter die entsprechende sechssträngige (m=6) Wicklung mit 12 Nuten und ebenfalls einem Polpaar an einem symmetrischen Sechsphasen-System. Das letzte Bild zeigt eine siebensträngige (m=7) verteilte Einschicht-Wicklung mit 14 und ebenfalls einem Polpaar.

Hierbei ist zu beachten, dass die Ströme der einzelnen Phasen bei gerader Phasen- bzw. Strangzahl m nicht gleichmäßig um 360°/m gegeneinander in der Phase verschoben sind, da dann stets zwei Phasen gegenphasig wären.
Bei einem Sechsphasen-System sind die Ströme I₁ (gelb), I₃ (grün) und I₅ (violett) jeweils um 120°, also um 360°/ (m/2) gegeneinander verschoben. I₂ (blau), I₄ (rot) und I₆ (braun) sind jeweils um 30°, also um 360°/ (2 m) gegen I₁ (gelb), I₃ (grün) bzw. I₅ (violett) verschoben.

Die Oberwellen der Felderregerkurve werden im nächsten Abschnitt betrachtet.