Die Rolle des Stators in einem Elektromotor
des Stators in einem Elektromotor
Der Stator ist der stationäre Bestandteil der elektromagnetischen Kreise eines Elektromotors und ein Schlüsselfaktor bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Leistung. Statoren können eine von zwei Formen annehmen: Feldwicklungen, die mit dem sich bewegenden Rotor interagieren, um Bewegung zu erzeugen, oder Anker, die mit den rotierenden Feldspulen des Rotors zusammenarbeiten, um eine Leistung zu erzeugen. In beiden Fällen besteht die Hauptaufgabe des Stators darin, ein Magnetfeld bereitzustellen, dem der durch den Rotoranker fließende Strom folgt, wodurch der Elektromotor in einen Generator umgewandelt wird, der die Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt.
Der Rahmen des Stators eines Motors besteht aus gestanzten Siliziumstahlteilen mit einer isolierenden Lackschicht zwischen den einzelnen Schichten. Dies trägt dazu bei, Wirbelstrom- und Hystereseverluste zu begrenzen, die durch die unausgeglichenen Magnetfelder entstehen, die die Statoren bei hohen Drehzahlen erzeugen. Der Kern eines Stators besteht aus dünnen gestanzten Blechen aus elektrischem Eisen, die oft hoch auf dem Kern liegen und in Schichten übereinander gestapelt sind. Die Schichten sind durch eine laminierte Konstruktion miteinander verbunden und die Endstanzungen sind geschlitzt, um das Auftreffen von Streufluss und Verluste zu reduzieren.
Bei einem Standard-Wechselstrom-Induktionsmotor sind die Feldwicklungen des Stators an eine Stromversorgung angeschlossen, die drei gleiche Sinusspannungen erzeugt. Diese fließen parallel durch die drei Statorwicklungen und werden gleichmäßig in Zeit und Winkelposition verschoben, um einen Wechselstrom (AC) zu erzeugen, der die Magnete dazu bringt, sich mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen. Die durch diese Ströme erzeugten Magnetfelder folgen der Rechts-Hand-Regel des Elektromagnetismus, was bedeutet, dass die Magnetfelder bei einer Polaritätsänderung eine Axialkraft auf den Rotor erzeugen und dadurch mechanische Rotationsenergie erzeugen.
Die Rolle des Stators in einem Elektromotor
Wenn sich die Polarität des Magnetfelds des Stators ändert, entsteht ein Drehmoment, das vom Rotor ausgeglichen werden muss, um Schäden zu vermeiden. Der Rotor muss eine axiale Gegenkraft erzeugen, um die durch die sich ändernden Magnetfelder erzeugten Zentrifugalkräfte aufzuheben. Dies wird durch eine Struktur namens Kommutator erreicht.
Der Kommutator ist ein rotierender elektrischer Schalter, der die Rotorwicklungen über eine Kontaktbaugruppe aus Bürsten und einer segmentierten Kommutatorscheibe mit dem eingehenden Strom verbindet. Die Bürsten, die aus einem weichen, leitfähigen Material wie Kohlenstoff bestehen, stellen bei jeder Umdrehung der Motorwelle Schleifkontakte mit aufeinanderfolgenden Kommutatorsegmenten her. Dadurch wird die Stromrichtung in den Rotorwicklungen umgekehrt, um die richtige Polarität beizubehalten und ein Drehmoment zu erzeugen.
Zusätzlich zu seiner wesentlichen Rolle bei der Drehmomenterzeugung wird das vom Stator erzeugte Magnetfeld auch zur Steuerung des Stromflusses und zur Regulierung der Betriebseigenschaften eines Motors verwendet. Die Frequenz des Wechselstroms, der dem Stator zugeführt wird, bestimmt die Anzahl und Größe seiner Feldpole, was sich wiederum auf das Drehmoment auswirkt, das er bei verschiedenen Drehzahlen erzeugen kann. Der Rotor wandelt dieses Drehmoment dann in mechanische Energie um, um die Last anzutreiben, beispielsweise einen Ventilator oder ein Förderband.