Lernfeld 8 · Prüfung Teil 2

Magnetismus und Induktion in Motoren

Magnetismus und Induktion in Kälteanlagen: Kraft auf Leiter, Induktionsgesetz, Selbstinduktion, Transformator und Magnetventilspulen verständlich erklärt.

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Darum geht es

Jeder Strom erzeugt ein Magnetfeld. In einer Spule mit Eisenkern wird es stark und gebündelt, so arbeiten Schütze, Relais und Magnetventile. Liegt ein stromdurchflossener Leiter quer im Magnetfeld, wirkt auf ihn die Kraft $F = B \cdot I \cdot l$ , bei mehreren Leitern mal ihrer Anzahl. Das ist das Motorprinzip. Umgekehrt entsteht in einem bewegten Leiter oder bei jeder Flussänderung in einer Spule eine Spannung, das ist das Generatorprinzip und das Induktionsgesetz. Nach der Lenzschen Regel wirkt der induzierte Strom seiner Ursache entgegen. Die Stromzange nutzt das Magnetfeld zum Messen; um Hin- und Rückleiter gemeinsam gelegt, zeigt sie fast null.

Eine Spule wehrt sich gegen Stromänderungen. Im Betrieb an Wechselspannung begrenzt vor allem ihr induktiver Blindwiderstand $X_{L} = 2 π f L$ den Strom. Ohne Anker und Eisenkern sinkt die Induktivität, und eine Wechselstromspule brennt durch; an Gleichspannung wirkt nur der kleine Drahtwiderstand, mit derselben Folge. Beim Abschalten induziert die Spule eine hohe Spannungsspitze. Varistoren, RC-Glieder oder bei Gleichstrom Freilaufdioden begrenzen sie und schützen Kontakte und Elektronik.

Im Transformator induziert das wechselnde Feld der Primärwicklung eine Spannung in der Sekundärwicklung; die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen. Darum arbeitet ein Transformator nur mit Wechselspannung. Damit sich die Eisenkerne von Transformatoren und Motoren nicht durch Wirbelströme erhitzen, bestehen sie aus dünnen, gegeneinander isolierten Blechen.

Das solltest du dir merken

Strom im Magnetfeld erzeugt Kraft, Bewegung im Magnetfeld erzeugt Spannung.
Nur ein sich änderndes Magnetfeld induziert eine Spannung.
Wechselstromspulen nie ohne Anker und nie an Gleichspannung betreiben.
Abschaltspitzen von Spulen mit Varistor, RC-Glied oder Freilaufdiode dämpfen.
Spannungen am Transformator verhalten sich wie die Windungszahlen.

Formeln

Kraft auf Leiter im Magnetfeld: $F = B \cdot I \cdot l \cdot z$; $B$ Flussdichte in T, $I$ Strom in A, $l$ wirksame Leiterlänge in m, $z$ Zahl der Leiter, $F$ in N
Induktionsgesetz: $U_{i} = N \cdot \frac{ΔΦ}{Δ t}$; $N$ Windungszahl, $ΔΦ$ Flussänderung in Wb, $Δ t$ Zeit in s, $U_{i}$ in V
Strom einer Spule an Wechselspannung: $I = \frac{U}{R ^{2} + ( 2 π f L ) ^{2}}$; $R$ Wirkwiderstand in Ω, $f$ Frequenz in Hz, $L$ Induktivität in H
Übersetzung des Transformators: $\frac{U _{1}}{U _{2}} = \frac{N _{1}}{N _{2}}$; $U_{1}$ , $N_{1}$ Primärseite, $U_{2}$ , $N_{2}$ Sekundärseite

Typische Fehler in der Prüfung

Den Spulenstrom an Wechselspannung nur mit dem Drahtwiderstand gerechnet.
Millisekunden und Milliweber beim Induktionsgesetz nicht in s und Wb umgerechnet.
Mit der Stromzange um die ganze Anschlussleitung gemessen.
Eine Magnetventilspule abgezogen und unter Spannung liegen lassen.

Tipps aus der Werkstatt

Kraft im Magnetfeld: F = B · I · l, mal der Zahl der Leiter. An Wechselspannung begrenzt bei Spulen vor allem X_L = 2 · π · f · L den Strom, darum nie eine Magnetventilspule ohne Anker oder an Gleichspannung betreiben. Beim Induktionsgesetz ms und mWb erst in s und Wb umrechnen.

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14 Aufgaben zu „Magnetismus und Induktion in Motoren“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Mechatroniker/-in für Kältetechnik, Lernfeld 8 (Anschließen und Prüfen von Einphasenwechselstromantrieben für Kälte- und Klimaanlagen). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.