Grundlagen elektrischer Maschinen

Germar Müller studierte an der Technischen Hochschule Dresden, war am dortigen Institut für elektrische Maschinen und Antriebe tätig und promovierte im Jahre 1959. Anschließend arbeitete er im Sachsenwerk Dresden als wissenschaftlicher Mitarbeiter und wurde 1966 als ordentlicher Professor für das Fachgebiet elektrische Maschinen an die Technische Hochschule Ilmenau berufen. Von 1977 bis 1987 leitete Prof. Müller die Forschung im Kombinat Elektromaschinenbau der DDR. Danach folgte er einer erneuten Berufung an die Technische Universität Dresden. Während seiner aktiven Berufstätigkeit war G. Müller in verschiedenen nationalen und internationalen Gremien tätig, u. a. in der IEC. Bernd Ponick war nach dem Studium der Elektrotechnik an der Universität Hannover wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für elektrische Maschinen und Antriebe und wurde dort 1994 promoviert. Er arbeitete als Entwicklungsingenieur, Berechnungsleiter und schließlich als Technischer Leiter im Berliner Dynamowerk der Siemens AG. 2003 folgte er einem Ruf auf den Lehrstuhl für Antriebssysteme der Universität Hannover und ist seitdem einer der beiden Leiter des dortigen Instituts für Antriebssysteme und Leistungselektronik. Prof. Ponick ist derzeit als Chairman von IEC TC2 für die internationale Normung auf dem Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen verantwortlich.

• Vorwort zur 10. Auflage XIIIVorwort zur 1. Auflage (1970) XVII0 Einleitung 10.1 Schreibweise der Formelzeichen 10.2 Formelzeichen 20.3 Vorzeichenvereinbarungen 70.4 Formulierung der Grundgesetze 100.5 Zusammengefasste Darstellung der komplexen Wechselstromrechnung 200.6 Einführung und Eigenschaften des symmetrischen Dreiphasensystems 320.7 Einführung symmetrischer Komponenten 370.8 Darstellung magnetischer Felder 391 Transformator 451.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 451.2 Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Einphasentransformators 471.2.1 Prinzipielle Ausführungsformen 471.2.2 Wirkungsweise 491.2.3 Analytische Behandlung 831.2.4 Betriebsverhalten am Netz starrer Spannung 891.2.5 Betriebsverhalten bei vorgegebenem Strom 1021.3 Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Dreiphasentransformators 1041.3.1 Ausführungsformen 1041.3.2 Wirkungsweise unter symmetrischen Betriebsbedingungen 1121.3.3 Analytische Behandlung und Betriebsverhalten unter symmetrischen Betriebsbedingungen 1291.3.4 Betriebsverhalten unter unsymmetrischen Betriebsbedingungen 1311.3.5 Einsatz der Schaltungskombinationen 1421.4 Besondere Ausführungsformen 1441.4.1 Spartransformatoren 1441.4.2 Stelltransformatoren 1481.4.3 Stromrichtertransformatoren 1501.4.4 Messwandler 1531.5 Energieumsatz 1631.5.1 Verluste 1631.5.2 Wirkungsgrad 1641.6 Prüfung 1681.6.1 Festgelegte Anforderungen 1681.6.2 Leerlaufversuch 1691.6.3 Kurzschlussversuch 1711.7 Erwärmung und Kühlung 1761.7.1 Wärmequellen 1761.7.2 Mechanismus des Erwärmungsvorgangs und der stationären Wärmeströmung 1771.7.3 Wärmeströmung innerhalb der aktiven Bauteile 1811.7.4 Kühlungsarten 1831.7.5 Übertemperatur der Wicklung und Wärmeklassen des Isoliersystems 1871.7.6 Betriebsarten 1881.8 Technische Ausführung von Leistungstransformatoren 1881.8.1 Grundlegendes über die Baugröße 1881.8.2 Konstruktive und technologische Gestaltung der aktiven Bauteile 1911.8.3 Äußere Gestaltung 1961.8.4 Schaltzeichen 1981.8.5 Schutztechnik 1991.8.6 Ausführungsbeispiele 2032 Allgemeine Betrachtungen über rotierende elektrische Maschinen 2072.1 Aufgaben 2072.2 Energieumsatz 2082.2.1 Grundlagen der elektromechanischen Energiewandlung 2082.2.2 Stationärer Energieumsatz 2132.3 Konstruktive und technologische Gestaltung 2232.3.1 Aktive Bauteile 2232.3.2 Inaktive Bauteile 2322.3.3 Bauformen 2342.3.4 Schutzgrade 2352.4 Magnetisches Feld 2372.4.1 Aufteilung der Felder und Verkettungsmechanismus 2372.4.2 Beschreibung des Luftspaltfelds 2402.4.3 Bestimmung des Luftspaltfelds 2432.4.4 Spannungsinduktion durch das magnetische Feld 2522.5 Erwärmung und Kühlung 2572.5.1 Wärmequellen 2572.5.2 Erwärmungsvorgang 2572.5.3 Stationäre Wärmeströmung 2632.5.4 Kühlmethoden 2662.6 Prüfung 2752.6.1 Festgelegte Anforderungen 2752.6.2 Prüfungsdurchführung 2772.7 Technische Ausführung 2802.7.1 Grundlegendes über die Baugröße 2802.7.2 Zusammenhang zwischen Baugröße und Wirkungsgrad 2832.7.3 Anforderungen an die Energieeffizienz 2842.7.4 Elemente der Schaltzeichen 2862.7.5 Schutztechnik 2863 Gleichstrommaschine 2893.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 2893.2 Aufbau 2903.2.1 Prinzipieller Aufbau 2903.2.2 Entwicklung des Kommutatorankers 2903.2.3 Aufbau der realen Gleichstrommaschine 2953.3 Analytische Behandlung 3023.3.1 Luftspaltfeld 3023.3.2 Spannungsinduktion im Kommutatoranker 3103.3.3 Spannungsgleichung des Ankerkreises 3123.3.4 Drehmoment 3133.3.5 Kommutierung 3133.4 Gleichstrommaschinen mit Fremd-, Nebenschlussund Permanenterregung 3193.4.1 Betriebsverhalten als Generator bei konstanter Drehzahl 3193.4.2 Betrieb an einem Netz starrer Spannung 3233.4.3 Betrieb im drehzahlvariablen Antrieb 3363.4.4 Energieumsatz 3473.5 Gleichstrommaschinen mit Reihenschlusserregung 3483.5.1 Motorbetrieb am Netz starrer Spannung 3483.5.2 Anlassen 3533.5.3 Bremsen 3543.6 Einsatz 3543.7 Prüfung 3563.8 Technische Ausführung 3573.8.1 Konstruktive und technologische Gestaltung 3573.8.2 Schaltzeichen 3583.8.3 Klemmenbezeichnungen 3583.8.4 Ausführungsbeispiele 3604 Allgemeine Betrachtungen über Maschinen mit Drehfeldern als Luftspaltfeld 3654.1 Drehfeld 3654.1.1 Definition des Drehfelds 3654.1.2 Aufbau eines Drehfelds 3674.1.3 Spannungsinduktion durch ein Drehfeld 3794.1.4 Entwicklung des mittleren Drehmoments aus Sicht der Drehfelder des Luftspaltfelds 3814.2 Mechanismus der Hauptwellenverkettung 3844.2.1 Prinzip der Hauptwellenverkettung 3844.2.2 Spannungsgleichung des Strangs a 3844.3 Leistungsfluss und Drehmoment 3864.3.1 Beziehungen zwischen Ständer- und Läufergrößen 3864.3.2 Leistungsfluss 3924.3.3 Entwicklung der verschiedenen Arten von Drehfeldmaschinen 3954.3.4 Ermittlung des Drehmoments 3975 Dreiphasen-Induktionsmaschine 3995.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 3995.2 Prinzipieller Aufbau 4005.3 Wirkungsweise 4035.3.1 Wirkungsweise am starren Netz in erster Näherung – Leerhochlauf und Lastübernahme 4045.3.2 Wirkungsweise am starren Netz in zweiter Näherung 4115.3.3 Wirkungsweise am Netz variabler Frequenz 4135.4 Analytische Behandlung 4165.4.1 Analytische Behandlung der Maschine mit Schleifringläufer 4165.4.2 Analytische Behandlung der Maschine mit Käfigläufer 4215.5 Betriebsverhalten mit kurzgeschlossenem Schleifringläufer bzw. mit stromverdrängungsfreiem Käfigläufer am starren Netz 4265.5.1 Ströme 4265.5.2 Ortskurven von Ständer- und Magnetisierungsstrom 4305.5.3 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 4365.5.4 Stromortskurve unter Berücksichtigung des Widerstands der Ständerwicklung 4425.5.5 Energieumsatz 4445.6 Betriebsverhalten mit Käfigläufer unter dem Einfluss der Stromverdrängung 4455.6.1 Maschine mit Einfachkäfig-Hochstabläufer 4455.6.2 Maschine mit Doppelkäfigläufer 4455.7 Spezielle Betriebszustände am starren Netz 4475.7.1 Anlassen 4475.7.2 Bremsen 4565.8 Betriebsverhalten mit Schleifringläufer als doppeltgespeiste Induktionsmaschine 4595.8.1 Aufbau und Leistungsfluss 4595.8.2 Strom-Spannungs-Verhalten 4625.8.3 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien 4675.9 Betriebsverhalten mit Käfigläufer im drehzahlvariablen Antrieb 4695.10 Besondere Ausführungsformen 4745.10.1 Polumschaltbare Maschinen 4745.10.2 Gegendrehfeld-Erregermaschinen 4745.11 Einsatz 4755.12 Prüfung 4775.12.1 Festgelegte Anforderungen 4775.12.2 Betriebskennlinien und Betriebskennwerte 4785.13 Technische Ausführung 4835.13.1 Konstruktive und technologische Gestaltung 4835.13.2 Schaltzeichen 4865.13.3 Klemmenbezeichnungen 4865.13.4 Schutztechnik 4875.13.5 Ausführungsbeispiele 4926 Dreiphasen-Synchronmaschine 5016.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 5016.2 Prinzipieller Aufbau 5036.3 Wirkungsweise am starren Netz 5066.3.1 Komponenten des Luftspaltfelds und zugehörige Spannungen 5076.3.2 Herstellen der Verbindung mit dem Netz 5106.3.3 Mechanismus der Blindlastübernahme 5146.3.4 Mechanismus der Wirklastübernahme 5166.4 Analytische Behandlung 5206.4.1 Allgemeine Spannungsgleichung und Beziehung für die Ankerdurchflutung 5216.4.2 Spannungsgleichung der ungesättigten Maschine – Einführung von Reaktanzen 5236.4.3 Kurzschluss 5356.5 Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine am starren Netz 5376.5.1 Ankerstrom 5376.5.2 Drehmoment 5396.5.3 Statische Stabilität 5436.5.4 Ortskurven des Ankerstroms 5476.5.5 V-Kurven 5516.5.6 Grenzleistungsdiagramm 5536.6 Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine bei Generatorbetrieb auf ein passives Netzwerk 5536.6.1 Ankerstrom 5546.6.2 Drehmoment 5566.6.3 Strom-Spannungs-Kennlinien 5586.6.4 Bremsbetrieb 5616.7 Genäherte Behandlung der gesättigten Maschine 5626.7.1 Leerlauf 5636.7.2 Kurzschluss 5646.7.3 Belastung 5656.7.4 Energieumsatz 5706.8 Erregung 5716.8.1 Klassische Erregungssysteme für Synchrongeneratoren 5726.8.2 Moderne Erregungssysteme für Synchrongeneratoren 5746.8.3 Selbsterregte Synchronmaschinen 5756.8.4 Erregung von Synchronmotoren 5776.8.5 Entregungsschaltungen 5806.9 Spezielle Betriebszustände am starren Netz – Anlauf und Synchronisieren 5816.10 Betriebsverhalten im drehzahlvariablen Antrieb 5846.10.1 Betriebsverhalten der fremdgeführten Maschine 5866.10.2 Betriebsverhalten der selbstgeführten Maschine 5916.10.3 Sinusstromspeisung und Blockstromspeisung 5956.11 Besonderheiten von Synchronmaschinen mit Permanenterregung 5986.12 Besonderheiten synchroner Reluktanzmaschinen 6026.13 Besondere Ausführungsformen 6056.13.1 Synchronisierte Induktionsmaschine 6056.13.2 Klauenpolmaschine 6066.13.3 Torquemotor 6076.13.4 Außenpol-Erregermaschine 6076.13.5 Synchronmaschinemit supraleitender Erregerwicklung 6096.14 Einsatz 6106.15 Prüfung 6146.15.1 Festgelegte Anforderungen 6146.15.2 Betriebskennlinien und Betriebskennwerte 6156.16 Technische Ausführung 6166.16.1 Konstruktive und technologische Gestaltung 6166.16.2 Schaltzeichen 6286.16.3 Klemmenbezeichnungen 6286.16.4 Schutztechnik 6296.16.5 Ausführungsbeispiele 6307 Maschinen für Betrieb am Einphasennetz 6397.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 6397.2 Einphasen-Induktionsmaschine 6407.2.1 Prinzipielle Eigenschaften 6407.2.2 Ausführungsformen 6427.3 Einphasen-Synchronmaschine 6467.4 Einphasen-Reihenschlussmaschine (Universalmotor) 6487.4.1 Ausführungsformen 6487.4.2 Prinzipielle Eigenschaften 6507.4.3 Betriebsverhalten am starren Netz 6548 Weitere Maschinenkonzepte 6638.1 Weitere aktuelle Maschinenkonzepte 6638.1.1 Hybridmaschine (Switched-Flux PM Machine) 6638.1.2 Geschaltete Reluktanzmaschine 6668.1.3 Transversalflussmaschine 6698.1.4 Linearmotor 6718.2 Heute nicht mehr ausgeführte Maschinenkonzepte 6738.2.1 Drehstrom-Kommutatormaschine 6738.2.2 Drehtransformator 6768.2.3 Harzsche Schaltung 6778.2.4 Hysteresemotor 6788.2.5 Leonardschaltung 6798.2.6 Mittelfrequenzgenerator 6798.2.7 Querfeldmaschine 6808.2.8 Repulsionsmotor 6818.2.9 Verstärkermaschine 6819 Maschinen für andere Arten der Einspeisung 6839.1 Schrittmotoren 6839.1.1 Prinzipielle Eigenschaften 6839.1.2 Ausführungsformen 6889.2 Bürstenlose Maschinen für Gleichstrombetrieb 6909.2.1 Prinzipielle Eigenschaften 6909.2.2 Ausführungsformen 692Anhang 695A.1 Fourier-Koeffizienten 695A.2 Nennspannungen und Nennfrequenzen 698A.2.1 Nennspannungen nach IEC 60038 (DIN IEC 60038) (Angaben in V) 698A.2.2 Nennfrequenzen von 16,7Hz bis 10 000 Hz nach DIN IEC 40005 (Angaben in Hz) 698A.3 Zusammenstellung der wichtigsten Normen 698Weiterführende Literatur 705Stichwortverzeichnis 707

"Das verständliche Handbuch ist thematisch auf den neuesten Stand."Allgemeines Ministerialblatt (30.09.2015) "Sie stellen die einzigen deutschsprachigen modernen Lehrbücher über Elektromaschinenbau dar, die sowohl Wissenschaftsansprüchen gerecht werden als auch als Nachschlagewerk von Ingenieuren in der Praxis hoch geschätzt sind." (Prof. Dr.-Ing. Hans Otto Seinsch, Universität Hannover)