Was sind elektrische Geräte?

Elektrische Geräte sind Systeme miteinander verbundener Komponenten, die die elektrische Energie in mechanische Energie oder umgekehrt oder in eine andere Form von elektrischer Energie umwandeln. Sie werden heute in vielen elektronischen Systemen eingesetzt, von Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen bis hin zu medizinischen Implantaten und Robotern. Sie sind für einen großen Teil des erzeugten und über Stromleitungen und andere Energieinfrastrukturen übertragenen Stroms verantwortlich. In jüngster Zeit ist das Interesse an elektrischen Geräten für Elektrofahrzeuge gestiegen.

Es gibt zwei Kategorien von elektrischen Geräten, die sich dadurch unterscheiden, ob ein Teil des Geräts in Bewegung ist oder nicht. Zur ersten Kategorie gehören stationäre elektrische Geräte, die zwei stationäre Anker und kein bewegliches Teil haben. Ein Schlüsselbeispiel hierfür ist ein Transformator. Der zweiten Kategorie sind rotierende oder lineare elektrische Geräte zuzuordnen, wie Generatoren und Motoren, die immer über ein bewegliches Teil verfügen, das entweder in Drehung oder Verschiebung arbeitet. Diese elektrischen Geräte haben ein bewegliches Teil (Rotor oder Mover) und ein stationäres Teil (Stator).

Als bidirektionale Energiesysteme können elektrische Geräte theoretisch Energie in beide Richtungen umwandeln, unabhängig davon, ob es sich um einen Motor oder einen Generator handelt, wobei die Leistung entweder in Form mechanischer oder elektrischer Energie erfolgt.

Transformatoren gehören in der Regel der Kategorie „Stationäre elektrische Geräte“ an, da die meisten keine beweglichen Anker haben und keine Bewegung zur Energieumwandlung benötigen. Generatoren und Motoren hingegen sind dynamische elektrische Geräte, die rotierende Teile besitzen und mit Bewegung elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt. Rotierende elektromechanische Geräte funktionieren im Allgemeinen durch die Wechselwirkung zwischen rotierenden elektromagnetischen Feldern, die entweder durch eine Spannungsversorgung oder elektromagnetische Induktion erzeugt werden. Diese rotierenden Magnetfelder erzeugen auch ein Drehmoment auf der mechanischen Seite und induzieren Spannung und Strom auf der elektrischen Seite.

Zu den Vorteilen dieser Technologie gehören:

• Elektrische Motoren sind wesentlich effizienter als andere Energieumwandlungssysteme wie Verbrennungsmotoren, wobei die Effizienz bei Elektrofahrzeugen über 90–95 % liegt, verglichen mit 20–30 % bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.
• Elektrische Geräte in Elektrofahrzeugen haben weniger bewegliche Teile als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, was zu einer längeren Lebenserwartung beiträgt.
• Elektrische Geräte sind emissionsfreie Technologien.
• Elektrische Geräte können Energie in beide Richtungen umwandeln und sowohl im Motor- als auch im Generierungsmodus arbeiten.

Einige der allgemeinen Nachteile der elektrischen Geräte sind:

• Elektrische Geräte können durch ihre Versorgung eingeschränkt sein, z. B. sind Elektrofahrzeuge durch die Speicherkapazität und die Ladeleistung ihrer Batterien eingeschränkt. Dies steht im Gegensatz zu Benzin, das eine deutlich höhere Energiedichte aufweist, sodass Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor einen Effizienzverlust von 70 % verkraften können und dennoch kommerziell erfolgreich sind.
• Das elektromagnetische Feld, das von den elektrischen Geräten erzeugt wird, kann bei längerer Exposition Auswirkungen auf Lebewesen haben.
• Die elektromagnetischen Felder von elektrischen Geräten, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, können sich gegenseitig stören, da sie interagieren, wenn sie eine ähnliche Frequenz haben. Dies wird als die elektromagnetische Interferenz (EMI) bezeichnet.
• Es besteht hierbei die Möglichkeit eines Kurzschlusses an elektrischen Geräten, der zum Brand führen kann.

Bei beweglichen elektrischen Geräten interagieren die elektromagnetischen Felder von Stator und Rotor. Diese Interaktionen können in Form verschiedener Konfigurationen erfolgen:

• Das Rotorfeld ist selbsterregt (Permanentmagnete)
• Das Rotorfeld benötigt eine separate elektrische Stromversorgung (fremderregte Synchronmotoren)
• Das Rotorfeld wird durch Induktion durch das Statorfeld (Asynchronmotoren) erzeugt

Jedes bewegliche elektrische Gerät kann als Generator oder Motor betrieben werden. Beim Betrieb als Generatoren wandeln elektrische Geräte mechanische Energie in elektrische Energie um und sie werden in der Stromerzeugung eingesetzt. Zu den wichtigen Anwendungsbereichen zählt die erneuerbare Energieerzeugung wie z. B. Windturbinen und Wasserkraft.

Energie wird typischerweise durch Rotationsbewegung erzeugt. Obwohl die Verwendung linearer Bewegungen möglich wäre, wäre das Gerät durch seine Größe begrenzt. Durch die Drehbewegung kann sich das bewegliche Teil unbegrenzt bewegen, ohne an eine praktische Grenze zu stoßen.

Eine mechanische Eingangsenergiequelle ist erforderlich, um Generatoren in Bewegung zu bringen. Zu den häufigsten Beispielen zählen eine Kurbelwelle, Wind- oder Wasserkräfte in Technologien für erneuerbare Energien und Dampf aus Brennstoffen und Kernreaktoren. Diese Kräfte treiben den Primärantrieb (z. B. einen Ventilator oder eine Turbine) innerhalb des Generators an, wodurch er sich bewegt und die Rotationsenergie in Spannung und elektrischen Strom umwandelt.

Es gibt verschiedene Formen von Generatoren. Wechselstromgeneratoren (synchron oder induktiv/asynchron) wandeln mechanische Energie in Wechselstrom und Spannung um. Die Gleichstromgeneratoren hingegen wandeln mechanische Energie in Gleichstrom und Spannung um. Bei Synchrongeneratoren ist die Spannung an die Drehzahl des Generators gebunden, während Induktionsgeneratoren (asynchrone Generatoren) keine feste Rotordrehzahl benötigen, um der Frequenz des Netzes gerecht zu werden.

Elektrische Geräte wandeln elektrische Energie in mechanische Bewegung um, wenn sie als Motoren betrieben werden. Motoren bestehen aus einer Welle, Lagern, die als Stützelement dienen, und einem Gehäuse, das alle Komponenten umschließt.

Das von einem Motor erzeugte Drehmoment ist das Ergebnis der elektromagnetischen Wechselwirkung der Stator- und Rotorfelder. Statorwicklungen erzeugen das rotierende Magnetfeld, während das Rotorfeld entweder durch Permanentmagnetrotation, durch das induzierte elektromagnetische Feld in Rotorwicklungen oder durch die Rotation von Elektromagneten erzeugt wird. Das Drehmoment ist proportional zur vom Motor erzeugten physikalischen Kraft, die zur Erzeugung der Geschwindigkeit in dem System verwendet wird, an das er angeschlossen ist (z. B. ein Fahrzeug). Umrichter werden dann zur Drehzahlregelung im Motor verwendet, indem die Frequenz der Stromversorgung des Motors gesteuert wird, um sicherzustellen, dass der Motor kontinuierlich läuft.

Motoren werden in vielen verschiedenen Branchen und Anwendungen verwendet, darunter:

• Industriemaschinen
• Fahrzeuge
• Haushaltsgeräte
• Pumpen
• Lüfter
• Robotik
• Fitnessgeräte
• Drohnen
• Elektrowerkzeuge

Transformatoren sind eine Art elektrisches Gerät. Anstatt mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln oder umgekehrt, wandeln sie elektrische Energie von einem Spannungsniveau in ein anderes um, wobei ein geringer Verlust auftritt. Beim Transformatorbetrieb findet keine mechanische Energieumwandlung statt, Transformatoren sind jedoch wichtige Komponenten der Netzinfrastruktur, die es ermöglichen, Strom über große Entfernungen über Hochspannungsübertragungsleitungen zu transportieren und dann für Haushalte in Niederspannungsverteilungsnetzen nutzbar zu machen.

Es gibt zwei Arten von Transformatoren: Aufwärtstransformator und Abwärtstransformator. Beide wandeln die Spannung der elektrischen Energie in eine andere Spannung um.

Aufwärtstransformatoren wandeln Niederspannungsstrom in Hochspannungsstrom um, der für Übertragungsleitungen bereit ist. Beim Aufwärtswandler ist der Sekundärkreis im Vergleich zum Primärkreis stärker um den Magneten gewickelt, wodurch die Spannung erhöht wird.

Abwärtstransformatoren reduzieren die Spannung für Haushalte und Unternehmen. Der Sekundärkreis in einem Abwärtstransformator weist im Vergleich zum Primärkreis weniger Windungen um den Magneten auf, wodurch die Spannung sinkt.

Transformatoren sind von entscheidender Bedeutung, da Hochspannungsstrom viel effizienter über weite Entfernungen transportiert werden kann, sie sind jedoch zu unsicher für die Nutzung in der Alltagselektronik. Der Strom muss für die Verwendung eine niedrigere Spannung haben, und Transformatoren bieten eine Möglichkeit, die Spannung des Stroms an bestimmten Punkten im Stromnetz auf eine einfache Weise zu ändern.

Simulation wird verwendet, um die Effizienz und Leistung elektrischer Geräte zu verbessern, die in verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Ingenieur*innen verwenden Simulationen beim Design elektrischer Geräte, um die Leistung sowohl der beweglichen als auch der nicht beweglichen Teile eines elektrischen Geräts zu simulieren und Einblicke in die thermische, elektromagnetische und mechanische Leistung zu gewinnen, um ein effizientes Design zu gewährleisten.

Ansys Maxwell – erweiterter Solver für elektromagnetische Felder: löst statische, Frequenzdomänen- und zeitvariierende magnetische und elektrische Felder mithilfe der Finite Elemente Methode (2D oder 3D). Die Maxwell-Software entspricht ISO 26262.

Ansys Motor-CAD – spezielles Tool für das Design elektrischer Motoren: Plattform für die schnelle Multiphysiksimulation über den gesamten Drehmoment-Drehzahl-Bereich. Es verwendet integrierte 2D-Finite-Elemente-Analyse (FEA), analytische Berechnungen und gleichwertige Schaltkreismethoden für die elektromagnetische Leistung. Es kann auch bei der Optimierung des Gerätekühlsystems helfen, um die mechanische Beanspruchung und Geräusche, Vibrationen und Rauheit zu minimieren.

Ansys Mechanical – Strukturelle FEA-Software und Ansys Fluent – Fluidsimulationssoftware: liefern detailliertere und maßgeschneiderte Nachverarbeitungssimulationen für das physikalische Design eines elektrischen Geräts

Ansys ConceptEV – Design- und Simulationsplattform: spezielles Tool zur Simulation von Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge. Die Plattform ermöglicht es den Technikerteams, beim Design von Systemen und Komponenten an einer gemeinsamen Systemsimulation im Zusammenhang mit den Anforderungen von Anfang an zusammenzuarbeiten. Auf diese Weise können die Benutzer*innen unter anderem Spezifikationen für den Konstruktionsprozess von elektrischen Geräten für verschiedene Fahrzeugarchitekturen ableiten.

Ansys Twin Builder – Simulationsplattform für digitale Zwillinge: dient der Untersuchung von Interaktionen zwischen elektrischen Geräten und der Leistungselektronik in einem System. Das elektrische Gerät kann durch Co-Simulation mit Softwarelösungen wie Maxwell-Software oder durch Modelle reduzierter Ordnung (Reduced Order Models, ROMs) in einer virtuellen Umgebung modelliert werden, um verschiedene Szenarien zu untersuchen.

Um effizientere elektrische Geräte durch Simulation zu konstruieren, wenden Sie sich noch heute an unser technisches Team, um zu erfahren, wie Ansys-Lösungen auf Ihre Konstruktionen angewendet werden können.

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