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2025-12-19T13:45:36Z

Änderungen von Skranon (Diskussion) auf die letzte Version von Buchstapler zurückgesetzt

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{{Dieser Artikel|behandelt das elektronische Element. Zum Gemeindeteil siehe [[Drehfeld (Reinsberg)]]. Zum Element einer Benutzeroberfläche siehe [[Drehfeld (Steuerelement)]].}}
Als '''Drehfeld''' wird in der [[Elektrotechnik]] ein [[Magnetismus|Magnetfeld]] bezeichnet, das sich fortlaufend um eine [[Rotationsachse]] dreht. Als erster erkannte [[Nikola Tesla]] den Nutzen des elektromagnetischen Drehfelds und entwickelte es weiter.

== Grundlagen ==
Drehfelder werden erzeugt, um die [[Welle (Mechanik)|Wellen]] von [[Drehstrommaschine|Drehstrommotoren]] und selbstständig anlaufenden [[Wechselstrommotor]]en anzutreiben. Das Drehfeld zieht den [[koaxial]] auf der Welle des Motors befestigten [[Rotor]] magnetisch mit.

[[Dreiphasenwechselstrom]] bietet durch den zeitlichen Versatz der drei [[Wechselstrom|Wechselströme]] die Möglichkeit, durch die kreisförmige Anordnung von Spulen ein Drehfeld zu erzeugen. Im einfachsten Fall werden dazu sechs Spulen im Kreis angeordnet und die jeweils gegenüberliegenden Spulen zu einem Polpaar zusammengeschaltet, das die beiden Pole eines Elektromagneten bildet. Das Vertauschen zweier beliebiger Außenleiter des Dreiphasenwechselstroms bewirkt eine Umkehr der Drehrichtung. Die Phasen sind um je 120° verschoben.

<gallery align="center" widths="150" heights="150" perrow="5" caption="Visualisierung des Drehfeldes in einer Drehstrommaschine">
Datei:3phase-rmf-noadd-60f-airopt.gif|Zeitliche Abfolge der einzelnen phasenversetzten Spannungen als [[Vektor]]en
Datei:3phase-rmf-60fv2-airopt.gif|Darstellung als Summenvektor. Die Spitze des äußeren Vektors beschreibt einen Kreis.
</gallery>

Ein Drehfeld kann auch mit [[Zweiphasenwechselstrom]] erzeugt werden. Er bildet durch den zeitlichen Versatz zweier Wechselströme um 90° ein Drehfeld. Zweiphasenwechselstrom spielt in der Energieübertragung keine wesentliche Rolle, da die Leiterquerschnitte schlecht ausgenutzt werden, wird aber bei manchen Maschinen wie dem [[Synchronmotor#Zweiphasen-Synchronmotoren mit Hilfsphase|Zweiphasen-Synchronmotor]] zur Erzeugung eines Drehfeldes verwendet.

== Mathematischer Ansatz ==
Die Polpaare werden reihum zeitversetzt vom Wechselstrom magnetisiert, sodass sich idealisiert ein drehendes Magnetfeld ergibt, dessen [[Drehzahl]] <math>n_\text{s}</math> der [[Frequenz]] <math>f</math> des Wechselstroms entspricht:

: <math>n_\text{s} \sim f</math>

Durch Vervielfachung der Polpaaranzahl <math>p</math> je [[Außenleiter]] reduziert sich die Drehzahl:

: <math>n_\text{s} = \frac{f}{p}</math>

Die maximale Drehzahl bei der üblichen Frequenz des [[Stromnetz]]es von 50 [[Hertz (Einheit)|Hz]] beträgt:

: <math>n_\text{s} = \frac{50 \, \mathrm{Hz}}{1} = 50 \, \mathrm{s}^{-1}</math>

Das ergibt eine Drehfelddrehzahl pro Minute von 3000 min<sup>−1</sup>.

=== Drehfeld als Summe von drei Wechselfeldern ===
Das magnetische Drehfeld einer einpolpaarigen Dreiphasenmaschine kann wie in der Animation (oben) durch Summation von drei 120 Grad räumlich und zeitlich phasenverschobenen [[Wechselfeld]]ern erzeugt werden. Dementsprechend gilt in [[Raumzeiger]]darstellung:

: <math>\underline B^w_u = \hat B^w \cdot \cos(\omega t) \cdot \mathrm{e}^0</math>

: <math>\underline B^w_v = \hat B^w \cdot \cos\left(\omega t - \frac{2}{3} \pi \right) \cdot \mathrm{e}^{\mathrm{j} \frac{2}{3} \pi}</math>

: <math>\underline B^w_w = \hat B^w \cdot \cos\left(\omega t - \frac{4}{3} \pi \right) \cdot \mathrm{e}^{\mathrm{j} \frac{4}{3} \pi}</math>

Die Summe der drei Wechselfelder ergibt nach mathematischer Umformung das Gesamtfeld:<ref>Thomas Keve / Helmut Roeloffzen: ''Baustein elektrische Maschine'' Berliner Union & Kohlhammer 1978; ISBN 3-408-53529-9, S. 188</ref>

: <math>\underline B^d = \underline B^w_u + \underline B^w_v + \underline B^w_w</math>

: <math>\underline B^d = \frac{3}{2} \hat B^w \mathrm{e}^{\mathrm{j} \omega t}</math>

Die magnetische [[Magnetische Flussdichte|Induktion]] des dreiphasig erzeugten Drehfeldes hat also den zeitlich konstanten 1,5-fachen Betrag der Induktion der einzelnen Wechselfelder und rotiert mit der Kreisfrequenz <math>\omega</math>.

== Besondere Anwendungen ==
Selbstständig anlaufende Wechselstrommotoren erzeugen ein Drehfeld durch eine [[Phasenverschiebung]]. Eine Phasenverschiebung des [[Elektrischer Strom|elektrischen Stroms]] wird durch einen [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]], eine Phasenverschiebung des [[Magnetischer Fluss|magnetischen Flusses]] durch Kurzschlussringe am Eisenkern erzielt (siehe [[Kondensatormotor]], [[Spaltpolmotor]]).

== Drehfeldmessgerät ==
[[Datei:Drehfeldmessgeraet.jpg|mini|Historisches Drehfeldmessgerät]]
Um die Orientierung des Feldes zu erkennen, werden [[Drehfeldmessgerät]]e verwendet. Frühe Exemplare waren mit einem kleinen [[Elektromotor]] ausgerüstet, aktuelle Geräte arbeiten auf elektronischer Basis und können auch den Ausfall einer Phase anzeigen.

== Drehfeldtheorie ==
Im Rahmen der von [[Heinz Jordan (Ingenieur)|Heinz Jordan]] 1950 maßgeblich geprägten Drehfeldtheorie wird die räumliche Verteilung einiger physikalischer Größen in einer elektrischen Maschine als [[Fourierreihe|Fourierreihen]] dargestellt. Betrachtet werden Strombeläge, magnetischer Luftspaltleitwert, [[magnetische Spannung]] zwischen zwei im Luftspalt gegenüberliegenden Punkten (Felderregung) und die magnetische Induktion des Luftspaltfeldes.

Im fortgeschrittenen Elektromaschinenbau sind [[Harmonische|Oberschwingungen und Oberwellen]] von besonderem Interesse, da sie für viele mitunter unerwünschte Effekte, zum Beispiel zusätzliche Stromwärmeverluste oder Geräusche verantwortlich sind.<ref>{{Literatur |Autor=Germar Müller, Karl Vogt, Bernd Ponick |Titel=Berechnung elektrischer Maschinen |NummerReihe=2 |Auflage=6., völlig neu bearb. Aufl., 1. Nachdr |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Datum=2011 |Reihe=Elektrische Maschinen |ISBN=978-3-527-40525-1}}</ref>

Hierbei ist es wichtig, beide Begriffe voneinander zu trennen:

* Oberschwingungen sind zeitabhängig. Im Rahmen der Drehfeldtheorie können [[Elektrischer Strom|Strom]], [[Elektrische Spannung|Spannung]], [[Kraft]] und [[Drehmoment]] Oberschwingungen haben.
* Oberwellen sind ortsabhängig. Im Rahmen der Drehfeldtheorie betrifft dies [[Strombelag]], Luftspaltleitwert, [[Elektromagnetische Induktion|Induktion]] und Felderregung.<ref>{{Literatur |Autor=Germar Müller, Bernd Ponick |Titel=Theorie elektrischer Maschinen |NummerReihe=3 |Auflage=6., völlig neu bearb. Aufl |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Datum=2009 |Reihe=Elektrische Maschinen |ISBN=978-3-527-40526-8}}</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* Horst Stöcker: ''Taschenbuch der Physik.'' 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 2000, ISBN 3-8171-1628-4
* Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: ''Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik.'' 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3
* Günter Springer: ''Rechenbuch Elektrotechnik.'' 11. verbesserte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1992, ISBN 3-8085-3371-4

== Weblinks ==
* [http://blackstrom.derschwarz.de/schaltungen/dreh_2/index.shtml Drehfeldmesser im Selbstbau]
* {{TIBAV |10894 |Linktext=Magnetisches Drehfeld |Herausgeber=IWF |Jahr=2004 |DOI=10.3203/IWF/C-14889 }}
* {{Internetquelle|url=https://www.geogebra.org/m/mszjnmkz |titel=Interaktive Darstellung des Drehfelds bei drei Phasen (symmetrisch/unsymmetrisch) |werk=[[GeoGebra]] |abruf=2021-02-14 |abruf-verborgen=1}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4150564-5}}

[[Kategorie:Elektromaschinenbau]]
[[Kategorie:Magnetismus]]

Drehfeld - Versionsgeschichte

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