Motoren und Generatoren sind elektrische Maschinen. Sie werden grob nach
Typen: Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen und Gleichstrommaschinen sowie nach Leistungsklassen: Kleinstmotoren
(bis 1W), Kleinmotoren (1W bis 0,75 kW), Motoren mittlerer Leistungsklasse
(0,75 kW bis 375 kW) und Grossmotoren unterschieden.
Synchromotoren haben entweder eine elektrische Erregung durch die Läuferwicklung oder sie haben eine permanente Erregung mit
Permanentmagneten.
Kleine Motoren haben eine niedrige Spannung, der Leiter ist ein
lackisolierter Kupferdraht mit Durchmesser von 12 mm bis einige Millimeter. Die Leiter werden per Hand oder mit einer Wickelmaschine auf
einen Spulenkörper gewickelt.
Grosse Motoren haben eine mittlere Spannung: über 1 kV bis einschließlich 52 kV und eine hohe Stromdichte. Die Wicklung besteht aus viereckigen Leitersträngen mit Querschnittsflächen von mehreren Quadratzentimetern; diese können nur durch massiv mechanische Umformung gewickelt werden. Die
Isolationsfestigkeit wird mit Schichten von Isolierungsmaterialien von einigen
Zehntel von Millimetern gewährleistet. Die Wicklungen von grossen Motoren können sowohl in Statoren als auch in
Rotoren aus mehreren Stäben bestehen. Die gesamte Wicklung ist für ihre
Spannungsklasse und höchste Temperatur isoliert.
Läufer eines kleinen Motors mit konzentrierter Wicklung
Ständerwicklung eines grossen Motors
mit verteilter Wicklung
Die Energieeffizienz-Normen wie IECC in Europa werden in den nächsten Jahren immer mehr Industriezweige erfassen. Um unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte zu liegen, werden die Betroffenen in eine effizientere Kühlung investieren müssen. Es müssen sowohl neue Maschinen als auch die bestehende Belüftungstechnik genauer ausgelegt werden.
Elektrische Maschinen haben einen hohen energetischen Wirkungsgrad. Wegen
der großen umgewandelten Energiemengen erreichen aber die Wärmeverluste
innerhalb der Maschinen trotzdem solche Größenordnungen, dass die Verluste
mittels einer geeigneten Kühlmethode abgeführt werden müssen.
Da die Lebensdauer der Isolation der Wicklungen sehr stark von der
Temperatur abhängt (eine 5 bis 8 Kelvin höhere Temperatur bewirkt etwa eine
Halbierung der Lebensdauer), sind die Isolierstoffe nach Isolierstoffklassen
eingeteilt. Für jede Isolierstoffklasse ist eine maximal zulässige
Dauertemperatur vorgeschrieben, die im Betrieb der Maschine keinesfalls
überschritten werden darf. Mit viel Kupfer in den Wicklungen und niedrigen
Stromdichten werden die Wicklungstemperaturen zwar herabgesetzt, aber der
Materialeinsatz wird stark vergrößert, was zu einer teuren und damit schwer
verkäuflichen Maschine führt. Die Hersteller elektrischer Maschinen sind also
bemüht, diese maximal zulässigen Temperaturen der Wicklungen auszunutzen
(Materialersparnis), sie aber keinesfalls zu überschreiten. Im
Überschreitungsfälle ist die betroffene Maschine nicht vertragskonform, womit
der Hersteller wiederum ein Nachbesserungsrecht hat (Kosten) und im
schlimmsten Falle der Kunde die Maschine zurückweisen kann (Kosten, Prestigeverlust).
Diese Zusammenhänge erklären die Anwendung der CFD-Analyse. Mithilfe von Ergebnissen globaler oder partieller CFD-Untersuchungen zu dieser Problematik kann der Maschinenhersteller
kostengünstige Maschinen anbieten, ohne sein technisches Risiko zu vergrößern.
Installation des Läufers eines Hydrogenerators © Hydropower Consult