Werkstoffe elektrischer Stromkreise

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1 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 1 Jede Maschine besteht grundsätzlich aus elektrischen Stromkreisen magnetischen Kreisen Werkstoffe elektrischer Stromkreise In Wicklungen einer Maschine wird zur Minimierung der Verluste Leitermaterial mit möglichst geringen Widerstand gewählt, also Kupfer mit einer Leitfähigkeit von ca. κ S m und einem spezifischen Widerstand von ρ Ωm. 3 Temperaturkoeffizient von ρ: K "4% pro 10Grad" Mit zunehmender Erwärmung nehmen die Verluste einer Maschine zu! Bei kleinen und mittleren Maschinen: geträufelte Wicklungen aus rundem Kupferdraht mit Lackisolation (Kupferlackdraht). Die Spulen werden meist maschinell gewickelt (außerhalb der Maschine), eingezogen, geformt und verschaltet (innerhalb).

2 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 2

3 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 3 Bei großen Maschinen: einzeln isolierte Kupferstäbe mit quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Die Ständerspule wird außerhalb der Maschine geformt und komplett isoliert ("Formspulen").

4 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 4 Ausnahme: Induktionsmotor mit "Kurzschlusskäfigläufer": Rotorwicklung besteht aus einer Windung mit Stableitern, die wie das Laufrad eines Hamsterkäfigs (Squirrel Cage) an beiden Enden des Rotors kurzgeschlossen werden. Bild 3.1-1: Gegossene Käfigwicklung eines Asynchronmotors, Eisenkern weggeätzt Kleine und mittlere Maschinen: Aluminium Druckguss (κ S m ), für hohes Anlaufmoment mit Silizium legiertes Aluminium ("Ugal") mit κ S m, Temperaturkoeffizient wie Kupfer Große Maschinen: Kupfer-Profilstäbe, hartverlötet, bzw. Bronze (Cu-Zinn) oder Messing (Cu-Zink) bei hohen Anlaufmomenten

5 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 5 Magnetische Werkstoffe Die magnetisch aktiven Bauteile elektrischer Maschinen bestehen grundsätzlich aus ferromagnetischen Blechen ("Dynamo-Bleche"), die gegeneinander isoliert (Wirbelströme, Eisenverluste!) zu "Blechpaketen" gestapelt werden.

6 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 6 Übersicht: Eigenschaften von Elektroblechen (Polarisation J = B µ 0 H )

7 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 7 Gleichstrom-Magnetisierungskurven (Quelle: EBG Bochum)

8 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 8 Gleichstrom-Magnetisierungskurven (Quelle: EBG Bochum)

9 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 9 Die Zugabe von Silizium verringert die elektrische Leitfähigkeit und damit die aufgrund der magnetischen Wechselfelder entstehenden Wirbelströme und Wirbelstromverluste (Eisenverluste). Die "Verlustziffern" geben die spezifischen Eisenverluste bei einer Frequenz von 50Hz und einer Flussdichte von 1T (v 10 ), bzw. 1.5T (v 15 ). Messung mit "Epsteinprobe". Hochlegierte Bleche (V330-35A) bei hohen Frequenzen (Drehzahlen) und geringen Flussdichten Normalbleche (V800-50A) bei hochausgenutzten Maschinen und geringen Frequenzen (50Hz) In Transformatoren: "kornorientierte" Bleche mit sehr viel höherer Polarisation (z.b. 1.75T bei 8A/cm) jedoch richtungsabhängige Verlustziffern und Permeabilität. Eisenverluste lassen sich aufteilen in Hystereseverluste: v ~ H Wirbelstromverluste: f B w ~ 2 und v f B 2 2 Damit v = v + v = cfb + c f B. (1.2-1) Fe H W H w Gesamtverluste im Eisen: PFe = mfe vfe kb (1.2-2) k B : Bearbeitungsfaktor kb 1.3 bei mittleren und großen Maschinen kb bei kleinen Maschinen Die genaue Vorausberechnung der Eisenverluste stellt auch heute noch ein großes Problem dar. In Fällen, wo die Eisenverluste eine dominante Rolle spielen, ist man deshalb immer noch auf Messungen angewiesen.

10 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 10 Ist nur eine Gesamtverlustziffer angegeben, so lassen sich die Eisenverluste grob mit B f PFe mfev15 kb (1.2-3) 1.5T 50Hz berechnen. Gleichung (1.2-3) ist nur anwendbar, wenn die Maschine sich im Rahmen des "Üblichen" ( 50Hz, 1.5T) bewegt! Permanentmagnete Permanentmagnete dienen zur verlustfreien Erzeugung von magnetischen Feldern. Sie werden meist im Kleinmaschinenbau eingesetzt. Bile 1.2-2: Entwicklung der Energiedichte von Permanentmagnete seit 1900

11 1.2 Werkstoffe elektrischer Maschinen Seite 11 In technischen Systemen ist in erster Linie der zweite Quadrant der Hysteresekurve von Interesse. Dieser Bereich stellt die Abnahme der Flussdichte im Magneten mit zunehmender Gegenfeldstärke dar. Entmagnetisierungskurven AlNiCo hat wegen der geringen Feldstärken im Elektromaschinenbau weitgehend an Bedeutung verloren. Ferrit wird in Low-Cost Anwendungen in großen Stückzahlen eingesetzt. SmCo (Selten-Erden) ist sehr teuer, es wird heute nur noch in extremen Anwendungen eingesetzt, z.b. bei hohen Temperaturen NdFeB (Selten-Erden) hat ähnliche Entmagnetisierungskurven wie SmCo, ist jedoch deutlich kostengünstiger und hat SmCo in üblichen Servoantrieben weitgehend verdrängt. NdFeB ist weniger temperaturstabil als SmCo.

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