Spulen ersetzen den Leiter im Magnetfeld

Um die Induktion von elektrischer Spannung in einem Leiter zu erreichen, muss dieser in einem Magnetfeld bewegt werden. Doch um eine brauchbare Energieausbeute zu erreichen, müssten der Leiter und das Magnetfeld eine nicht realisierbare Länge haben. Deshalb übernehmen in der Technik Spulen die Aufgabe des Leiters.
 
In einer Spule ist ein Draht aus leitfähigem Material, meist ein Kupferdraht, in einer bestimmten Anzahl Wicklungen um einen Kern aufgewickelt. Dreht sich eine solche Spule in einem Magnetfeld, so entsteht der gleiche Effekt wie beim Bewegen eines Leiters: Im Draht der Spule wird eine Spannung induziert.
 
Die Spannung ist umso höher,
 

• je stärker das umgebende Magnetfeld ist – im Fachbegriff die „Magnetische Flussdichte“
• je schneller sich der Leiter im Magnetfeld bewegt
• je länger die mittlere Länge einer Leiterwicklung der Spule ist
• und je mehr Windungen die Spule hat

 
Den rotierenden Teil eines Generators nennt man den Rotor (nicht zu verwechseln mit den Flügeln der Windkraftanlage), den feststehenden Teil den Stator. Würde in einer Windkraftanlage die erzeugte Spannung in die Spulen des Rotors induziert, so müsste man den daraus resultierenden, sehr hohen Strom über Schleifkontakte von den rotierenden Bauteilen abgreifen, denn natürlich ist eine Verkabelung rotierender Teile nicht möglich.
 
Schleifkontakte mit sehr hohen Strömen bringen aber große Verluste mit sich, weil der Übergang über die Schleifbürsten einen hohen elektrischen Widerstand hat. Die Schleifer erwärmen sich und elektrische Energie geht verloren.
 
Deshalb wird das Prinzip im Generator einer Windkraftanlage umgedreht: das umgebende Magnetfeld, das die Induktion möglich macht, wird im Rotor untergebracht und dreht sich. Die erzeugte Spannung wird in die Spulen des Stators induziert. Von dort kann der hohe Laststrom über Kabel abgeführt werden statt über Schleifkontakte.

Elektro- statt Dauermagneten im Rotor

Spulen erzeugen durch magnetische Einflüsse eine elektrische Spannung. Umgekehrt erzeugen sie unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung aber auch ein magnetisches Feld. Spulen sind also Elektromagneten.
 
In Generatoren wird das Magnetfeld im Rotor, das die Induktion der Spannung in den Stator ermöglicht, daher durch Spulen erzeugt. Damit die Spulen dazu in der Lage sind, müssen Sie von elektrischen Strom durchflossen werden, denn erst dann bilden sie ein Magnetfeld aus.
 
Dieser Strom wird dem Rotor über Schleifkontakte zugeführt. Der für die Erzeugung des magnetischen Felds im Rotor erforderliche Strom ist um ein Vielfaches kleiner, als der Laststrom, der vom Stator ausgeht. Daher sind die Verluste an den Schleifkontakten hier kein so großes Problem.