Feldspule
Englisch: field coil
Eine Elektromagnetspule, durch die Strom fließt, um ein Magnetfeld in einer elektromagnetischen Maschine zu erzeugen, typischerweise in rotierenden Maschinen wie Motoren oder Generatoren.
Feldspule: Der Magnet, der Elektromotoren und Generatoren antreibt
Eine Feldspule ist eine gewickelte Drahtanordnung, die das stationäre Magnetfeld in rotierenden elektrischen Maschinen erzeugt. Der Strom durch die Spule erzeugt ein Magnetfeld, das stark genug ist, um mit einem Rotor zu wechselwirken und mechanisches Drehmoment zu erzeugen (in Motoren) oder elektrischen Strom zu induzieren (in Generatoren). Die Spule sitzt in Nuten, die in den Stator, den feststehenden Eisenkern, der das Maschinengerüst bildet, eingearbeitet sind.
Feldspulen gibt es in zwei Hauptausführungen. In Reihenschluss-Maschinen liegt die Feldspule in Reihe mit dem Anker, so dass der Laststrom durch beide fließt. In Nebenschluss-Maschinen ist die Feldspule parallel zur Versorgung geschaltet und erhält unabhängig von der Last konstante Spannung. Fremdgesteuerte Maschinen nutzen eine unabhängige Stromquelle für das Feld. Die Wahl bestimmt, wie die Maschine auf sich ändernde Lasten reagiert und ob ihre Drehzahl selbstregulierend ist.
Der Draht selbst ist üblicherweise Kupfer oder Aluminium, isoliert mit Emaille oder Textil. Spulen-Durchmesser, Drahtstärke und Windungszahl werden für die gewünschte Feldstärke und zulässige Erwärmung berechnet. Große Industriemotoren können Feldspulen mit rechteckigem oder quadratischem Leiter aufweisen, um die Raumeffizienz zu verbessern. Der Eisenkern unter der Spule ist aus dünnen Stahlblechen geschichtet, um Wirbelstromverluste bei Wechselfrequenzen zu reduzieren.
Häufige Ausfallarten und Konstruktions-Kompromisse
Feldspulen versagen, wenn die Isolierung durch Hitze, Feuchtigkeit oder Spannungsbeanspruchung durchbricht. Ein Kurzschluss zwischen Windungen erhöht Strom und Wicklungstemperatur katastrophal. Unterbrechungen (gerissener Draht oder kalte Lötstelle) unterbrechen die Felderzeugung vollständig, was zum Stillstand oder Verlust der Synchronität führt. Thermische Wechselbeanspruchung, Feuchtigkeitseintritt und Verschmutzung mit leitendem Staub beeinträchtigen die Isolationslebensdauer. Industriemaschinen werden oft mit 20 bis 40 kV pro Millimeter Isolierungsdicke bewertet, ein Sicherheitsabstand, der die Spannungsklasse der Spule definiert.
Die Konstruktion muss Kupferverluste (I²R-Erwärmung im Draht), Eisenverluste (Hysterese und Wirbelströme im Kern) und Materialkosten ausbalancieren. Größerer Draht reduziert Wärmeverluste, erhöht aber Spulenmasse und Kosten. Mehr Windungen erhöhen die Feldstärke, vergrößern aber auch das Kupfervolumen. Die Blechdicke beeinflusst die Kernverluste, erschwert aber die Fertigung. Die Feldspule muss robust genug sein, um die mechanischen Kräfte zu überstehen, die entstehen, wenn das Rotohdrehmoment Spitzenwerte erreicht, besonders beim Motorstart oder bei Generatorkurzschluss-Übergangsvorgängen.