Drehfeld

Stell dir einen Hufeisenmagneten vor, der von Hand um einen Stahlzylinder gedreht wird. Der Zylinder wird vom Magneten gezogen und beginnt mitzudrehen. Genau dieses Bild steckt hinter dem Drehfeld — nur dass der Magnet nicht aus Eisen besteht und sich auch nicht mechanisch bewegt. Stattdessen erzeugen drei feste Wicklungen im Stator durch ihr Zusammenspiel ein magnetisches Feld, das sich im Raum dreht.

Wechselfeld und Drehfeld sind zwei verschiedene Dinge. Ein Wechselfeld pulsiert in einer festen Achse: Der Feldvektor zeigt immer auf dieselbe Linie, sein Betrag schwankt aber zwischen einem positiven und einem negativen Maximum. Ein Drehfeld dagegen hat einen konstanten Betrag — die Spitze des Feldvektors bewegt sich auf einer Kreisbahn um den Mittelpunkt des Stators. Der Magnetismus „wandert“ gleichmäßig um den Stator herum.

Dieses Drehfeld entsteht ausschließlich im Stator von Drehstrommaschinen. Sobald die drei Außenleiter eines symmetrischen Drehstromnetzes an die drei Wicklungen U, V und W angelegt werden, baut sich das Feld auf — vorausgesetzt, die Wicklungen sind räumlich richtig angeordnet. Wie diese Anordnung aussieht und warum sie das Drehfeld erzeugt, klären wir im nächsten Kapitel.

Drei Zutaten sind nötig, damit aus drei einzelnen Wechselfeldern ein Drehfeld wird: drei räumlich um 120° versetzte Wicklungen, drei zeitlich um 120° versetzte Ströme und ein symmetrischer Aufbau aller Stränge. Stimmt eine dieser Bedingungen nicht, läuft die Sache aus dem Tritt — dazu in Kapitel 5 mehr.

Die räumliche Anordnung folgt einer einfachen Regel: Die drei Wicklungen U, V und W werden so im Stator verteilt, dass ihre magnetischen Achsen um jeweils 120° gegeneinander versetzt sind. Eine Wicklung allein erzeugt ein Wechselfeld längs ihrer Achse. Wenn drei solche Wicklungen mit den drei Außenleitern eines Drehstromnetzes verbunden werden, fließen in ihnen die drei Außenleiterströme:

Jeder einzelne Strom erzeugt in seiner Wicklung ein Wechselfeld längs der jeweiligen Wicklungsachse. Die Beträge der drei Teilfelder schwanken zeitlich nach der Sinusfunktion. Da die Wicklungsachsen aber räumlich versetzt sind und die Ströme zeitlich versetzt schwingen, fügen sich die drei Wechselfelder zu jedem Zeitpunkt zu einem neuen Gesamtvektor zusammen — und zwar so, dass sein Betrag konstant bleibt und sich seine Richtung gleichmäßig dreht.

Anschaulich lässt sich das an vier Momentaufnahmen einer Periode nachvollziehen:

• ωt = 0°: Der Strom in U ist null, V führt einen negativen Strom mit etwa −87 % des Scheitelwerts, W einen positiven Strom mit +87 %. Das Gesamtfeld zeigt entgegen der Achse von V und in Richtung der Achse von W‘ — anschaulich „nach links“.
• ωt = 90°: U hat den Scheitelwert erreicht, V und W führen je den halben Strom in negativer Richtung. Das Gesamtfeld zeigt voll in Richtung U — nach oben.
• ωt = 180°: U ist wieder null, V positiv, W negativ. Das Gesamtfeld zeigt jetzt nach rechts — also um 90° im Uhrzeigersinn weitergedreht.
• ωt = 270°: U führt den negativen Scheitelwert, V und W je den halben positiven Strom. Das Gesamtfeld zeigt nach unten.

Der Vektor wandert also bei einer Phasenfolge U → V → W gleichmäßig im Uhrzeigersinn um den Stator. Eine komplette elektrische Periode entspricht einer vollen Umdrehung des Feldes (bei einer Wicklung mit einem Polpaar — dazu gleich mehr). Sein Betrag entspricht dabei dem 1,5-fachen des maximalen Einzelfelds einer Wicklung.

Bisher haben wir so getan, als hätte der Stator genau ein Polpaar — also einen Nordpol und einen gegenüberliegenden Südpol pro Wicklung. Bei dieser einfachsten Bauform dreht das Feld pro elektrischer Periode genau einmal um. Bei 50 Hz Netzfrequenz wären das 50 Umdrehungen pro Sekunde oder 3000 Umdrehungen pro Minute. In vielen Anwendungen ist das zu schnell — und Bauformen mit mehr Polpaaren liefern langsamere Drehfelder.

Polpaarzahl und Polzahl sind zwei verschiedene Größen, die immer wieder verwechselt werden:

• Die Polzahl 2p ist die Gesamtanzahl der magnetischen Pole, die das Drehfeld zeigt.
• Die Polpaarzahl p ist die Anzahl der Polpaare — also Polzahl geteilt durch zwei.

Ein zweipoliger Motor (2p = 2) hat eine Polpaarzahl p = 1. Ein vierpoliger Motor (2p = 4) hat p = 2. Eine Wicklung mit zwei Polpaaren wird so verteilt, dass sie pro Statorumfang viermal Nord–Süd zeigt. Der Effekt: Das Feld muss pro elektrischer Periode nur noch eine halbe Umdrehung machen, um wieder am selben magnetischen Punkt anzukommen.

Die Drehzahl des Drehfelds heißt Synchrondrehzahl n_s. Sie ergibt sich aus Netzfrequenz und Polpaarzahl:

Üblicher ist die Angabe in Umdrehungen pro Minute:

Der Begriff Synchrondrehzahl rührt daher, dass der Läufer eines Synchronmotors genau mit dieser Drehzahl mitläuft — Stator-Drehfeld und Läufer drehen synchron. Beim Asynchronmotor bleibt der Läufer etwas hinter dem Drehfeld zurück, dieser Drehzahlunterschied heißt Schlupf. Die Details dazu gehören in den Beitrag zum Drehstrom-Asynchronmotor.

Bei 50 Hz Netzfrequenz ergeben sich die typischen Synchrondrehzahlen, die auf praktisch jedem Motor-Typenschild auftauchen:

Das Drehfeld bewegt sich nicht beliebig — seine Drehrichtung hängt direkt davon ab, in welcher Reihenfolge die drei Außenleiter ihren positiven Spitzenwert erreichen. Diese Reihenfolge heißt Phasenfolge.

Im österreichischen Drehstromnetz ist die Standard-Phasenfolge L1 → L2 → L3. Werden diese drei Außenleiter den drei Klemmen U, V, W eines Drehstrommotors zugeordnet, ergibt sich ein Rechtsdrehfeld — das Feld rotiert per Definition im Uhrzeigersinn, wenn man auf das Wellenende (Antriebsseite) blickt. Der Motor läuft entsprechend rechtsherum.

Um die Drehrichtung umzukehren, müssen exakt zwei beliebige Außenleiter am Motoranschluss vertauscht werden. Aus der Phasenfolge L1–L2–L3 wird dadurch beispielsweise L2–L1–L3 oder L1–L3–L2 — in beiden Fällen kehrt sich die zeitliche Reihenfolge der Spitzenwerte aus Sicht der Motorklemmen um. Das Drehfeld wird zum Linksdrehfeld, der Motor läuft linksherum.

Wichtig dabei: Werden alle drei Außenleiter zyklisch vertauscht (z. B. L1 auf V, L2 auf W, L3 auf U), bleibt die zeitliche Reihenfolge erhalten — die Drehrichtung ändert sich nicht. Und der Neutralleiter spielt für die Drehrichtung keine Rolle, weil er nicht Teil der Phasenfolge ist.

CEE-Steckvorrichtungen werden in Österreich nach Errichtungsstandard immer mit Rechtsdrehfeld angeschlossen — der Stecker passt nur in einer Orientierung in die Dose, die Phasenfolge ist also durch die Bauform vorgegeben. In der Werkstatt oder am festen Anschluss ist das auch verlässlich. Anders sieht es bei Baustromverteilern, mobilen Notstromaggregaten oder beim Anschluss an eine fremde Installation aus: Hier kann die Phasenfolge falsch herum sein, ohne dass es sichtbar wird. Vor dem ersten Einschalten kritischer Antriebe wird die Phasenfolge daher mit einem Phasenfolge-Prüfer (auch Drehfeld-Messgerät genannt) kontrolliert.

Das Messgerät hat drei Klemmen, die an L1, L2 und L3 angelegt werden, und zeigt mit einer rotierenden Scheibe oder zwei LEDs an, ob ein Rechts- oder Linksdrehfeld vorliegt. Bei kleinen Geräten genügt oft ein kurzer „Tipp-Start“ mit dem Motor, um die Drehrichtung zu kontrollieren — bei großen Antrieben, hydraulischen Pumpen oder Schraubenverdichtern ist das jedoch keine Option, weil schon Sekunden mit falscher Drehrichtung Schäden anrichten können.

Bisher haben wir das ideale, symmetrische Drehfeld betrachtet. In der Praxis treten zwei wichtige Sonderfälle auf, die das Verständnis von Einphasenmotoren und von Netzproblemen erleichtern: das reine Wechselfeld einer einzelnen Spule und das elliptische Drehfeld bei unsymmetrischer Belastung.

Eine einzelne Spule am Wechselstrom erzeugt nur ein pulsierendes Wechselfeld. Der Feldvektor zeigt immer entlang derselben Achse, sein Betrag schwankt sinusförmig zwischen +B_max und −B_max. Mit dem rotierenden Drehfeldvektor aus den vorigen Kapiteln hat das auf den ersten Blick nichts gemeinsam. Auf den zweiten allerdings schon: Mathematisch lässt sich jedes Wechselfeld in zwei gegenläufige Drehfelder gleicher Amplitude (jeweils B_max/2) zerlegen. Eines dreht im Uhrzeigersinn, das andere gegen den Uhrzeigersinn — beide mit der Netzfrequenz.

Im Stillstand heben sich beide Drehfelder für den Antrieb auf: Sie ziehen den Läufer in beide Richtungen gleich stark, das Drehmoment ist null. Genau deshalb läuft ein einphasiger Asynchronmotor ohne Hilfe nicht von selbst an. Erst eine Anlaufhilfe, etwa eine Hilfswicklung mit Kondensator, bricht die Symmetrie und macht aus dem stehenden Wechselfeld ein elliptisches Drehfeld — und damit ein nutzbares Drehmoment.

Das elliptische Drehfeld ist auch im Drehstromsystem relevant, wenn die drei Stränge unsymmetrisch belastet sind oder eine Phase ausfällt. Statt einer Kreisbahn beschreibt die Spitze des Feldvektors dann eine Ellipse — der Betrag schwankt periodisch zwischen einem Maximum und einem Minimum. Die Drehzahl des Vektors ist über eine Umdrehung nicht mehr konstant: Auf der langen Halbachse läuft das Feld schneller, auf der kurzen langsamer. Welche Auswirkungen das auf einen Drehstrommotor hat (zusätzliche Erwärmung, Drehmomentpendelungen, ein gegenläufiges Gegenfeld), wird im Beitrag zum Drehstrom-Asynchronmotor behandelt.

Damit ist das physikalische Bild komplett. Wie das Drehfeld in den verschiedenen Maschinentypen zum Antrieb wird, ist Thema der jeweiligen Beiträge: Beim Drehstrom-Asynchronmotor induziert das Drehfeld im kurzgeschlossenen Läufer Ströme, die wieder ein eigenes Feld erzeugen — der Läufer wird mitgezogen, bleibt aber durch den Schlupf etwas zurück. Beim Drehstrom-Synchronmotor ist der Läufer selbst magnetisch (mit Permanentmagneten oder erregten Wicklungen) und läuft genau mit der Synchrondrehzahl mit. Bei Einphasenmotoren wie dem Kondensatormotor wird das eingangs beschriebene Wechselfeld durch eine Hilfswicklung in ein verzerrtes Drehfeld überführt — gerade genug, damit der Motor anläuft.