Elektromotor
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Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die mit Hilfe von magnetischen Feldern hauptsächlich elektrische in mechanische Arbeit umwandelt. In Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum Generator. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch translatorische Bewegungen ausführen (Linearantrieb).
Elektromotoren werden zum Antrieb verschiedener Maschinen und Fahrzeuge (vor allem Schienenfahrzeuge) eingesetzt.
Geschichte
Der erste brauchbare Elektromotor wurde 1834 von dem Potsdamer Ingenieur Hermann Jacobi konstruiert. Im Jahre 1866 verhalf Werner von Siemens dem Elektromotor durch die Erfindung der Dynamomaschine zum Durchbruch.
Begriff
Der Begriff Motor lässt sich aus dem Lateinischen motus ‚Bewegung‛ herleiten und bezeichnet eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt.
Heutzutage nimmt man Elektromotoren im Alltag nicht mehr bewusst wahr und die wenigsten wissen, wie diese aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Elektromotoren erleichtern den Tagesablauf. Die selbstverständlichsten Dinge des täglichen Lebens wie das fließende Wasser, das Zubereiten von Speisen, das Abspielen eines Tonträgers, das Reinigen und Trocknen der Wäsche, das Befördern von Personen und Lasten in mehrgeschossigen Gebäuden, die Belüftung unterschiedlichster Geräte und Gebäude, sind ohne Elektromotoren nicht denkbar. Selbst das Anlassen eines Kraftfahrzeugs müsste per Hand erfolgen, wenn es den Elektromotor nicht gäbe; Werkzeuge müsste man durch Muskelkraft betreiben. Sämtliche Bereiche der Wirtschaft, einschließlich des Haushalts, wären in der uns bekannten Art und Weise nicht denkbar.
Der Mensch hat die Wichtigkeit und Unerlässlichkeit von Antriebsmaschinen erkannt, diese stets weiterentwickelt und verbessert und es verstanden sich Motoren zunutze zu machen.
Gleichstrommotoren
Aufbau eines Gleichstrommotors
Der Stator, der auch Ständer oder Magnetgestell genannt wird, besteht aus Hauptpolen mit Polkernen und Polschuhen, der Erregerwicklung, die auf den Polkernen sitzt, und dem Jochring, das Gehäuse. Bei permanent erregten Gleichstrommotoren wird die Erregerwicklung oft von Permanentmagneten ersetzt. Zwischen den Hauptpolen werden Wendepole angebracht, wenn der Motor die Leistung von 1kW überschreitet. Dann können in den Polschuhen der Hauptpole außerdem Kompensationswicklungen angebracht werden.
Bei Gleichstrommotoren ohne ausgeprägte Pole besteht der Stator aus einem Teil mit gleichmäßig verteilten Nuten. Die Erregerwicklungen und Wendepolwicklungen befinden sich dann in den Nuten.
Der Rotor (Läufer), der meist Anker genannt wird, besteht aus Läuferblechpaketen, die auf eine Stahlwelle aufgepresst werden. Darauf befinden sich in Nuten Ankerwicklungen und ein Stromwender, an dem die Ankerwicklungen angebracht sind. Der Stromwender wird in der Fachsprache auch Kommutator oder Kollektor genannt und besteht aus einzelnen voneinander isolierten Lamellen. Diese Lamellen sind wiederum mit den Ankerwicklungen verbunden. An dem Kommutator laufen Kohlebürsten entlang, die an den Bürstenhaltern befestigt sind. Die Bürstenhalter sitzen wiederum an dem Bürstenbolzen, der an einer drehbaren Bürstenbrücke befestigt ist.
Der Aufbau eines Gleichstrommotors im Detail: 1:Welle 8: Anker 2:Schraube 9: 23 Nuten 3:Gehäuse 10: 46 Leiter 4:Metallstreifen 11: Verbindung der Leiter auf der Rückseite 5:Rechte Pol des Statorfeldes 12: Metallbürste 6:Metallbürste 13: Statorpol 7:Kommutator (insg. 23)
Funktionsweise des Gleichstrommotors
Durch die Erregerwicklung fließt Gleichstrom und baut das Erregermagnetfeld auf, das sich über Anker schließt. Das Erregerfeld überlagert sich mit dem Magnetfeld einer stromdurchflossenen Leiterschleife. Auf diesen stromdurchflossenen Leiter wirkt die ´Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld´. Es wird die "Drei-Finger-Regel" angewandt. Folglich dreht sich der Rotor nach rechts, woraufhin ein Drehmoment entsteht. Dieses lässt die Leiterschleife in die neutrale Zone drehen. Dort entsteht aber kein Drehmoment. Wenn sich die Leiterschleife mit Hilfe ihrer Bewegungsenergie über die neutrale Zone hinaus drehen kann, muss in der Ankerschleife die Stromrichtung umgepolt werden. Dies muss geschehen, um eine fortlaufende Drehbewegung zu erhalten. Der Stromwender übernimmt diese Umpolung.
Die Stromwenderlamellen sind mit der Ankerspule so verbunden, dass unter einem Erregerpol die Spulenseiten die gleiche Richtung haben. Trotz Drehung des Ankers bleibt das Ankermagnetfeld erhalten. Wenn man die Richtung des Erregerfeldes oder des Ankerfeldes umpolt, kann man die Drehrichtung des Motors umdrehen. Normalerweise wird das Ankerfeld umgepolt, um beim Umkehrbetrieb eine Erregerfeldunterbrechung zu vermeiden.
Anker
Die einfachsten Anker, die normalerweise für Unterrichtszwecke verwendet werden, sind Doppel-T-Anker und Dreifach-T-Anker. Ein weiteres Beispiel ist der Trommelanker.
- Doppel-T-Anker
Wie der Name bereits sagt, besteht der Doppel-T-Anker aus zwei T-förmigen Eisenkernen, die von einer Spule umwickelt sind. Dieser Anker ist nicht besonders zum Antrieb von Maschinen geeignet, da er eine Starthilfe, beispielsweise per Hand, benötigt.
- Dreifach-T-Anker
Das Problem des Doppel-T-Ankers lässt sich durch den Dreifach-T-Anker lösen. Der Dreifach-T-Anker besteht aus 3 T-förmigen Eisenkernen, die mit einer Spule umwickelt sind. Dieser Anker benötigt keine Starthilfe, da immer auf mindestens eine Spule eine Kraft wirkt.
- Der Trommelanker
Hier eilt der Name dem Aussehen des Ankers wieder voraus. Der Trommelanker besteht aus Läuferblechpaketen, die auf eine Stahlwelle aufgepresst werden. Darauf befinden sich in Nuten die Ankerwicklungen.
Arten des Gleichstrommotors
Anchlussbezeichnungen: A Ankerwicklung B Wendepolwicklung C Kompensationswicklung D Reihenschlusswicklung E Nebenschlusswicklung F Fremderregte Wicklung
- Fremderregter Motor
Bei den fremderregten Motoren werden die Erregerwicklungen entweder von einem Dauermagneten ersetzt oder von einer unabhängigen Stromquelle betrieben. Da das Erregerfeld unabhängig von dem Anker ist, behält es seine Stärke auch bei Abfall der Ankerspannung. Dadurch bleibt bei Lastschwankungen die Drehzahl sehr stabil. „Der fremderregte Motor und der Nebenschlussmotor haben beide gleichartige Kennlinien und damit fast dasselbe Betriebsverhalten. Sie finden ihren Einsatz bei Anwendungen, deren Drehzahl lastunabhängig gesteuert wird.“
- Nebenschlussmotor
Beim Nebenschlussmotor werden die Erregerwicklungen parallel zum Anker geschaltet. Seine Belastungskennlinie ist genauso stabil wie beim fremderregten Motor. Bei Nebenschlussmotoren sollte man darauf achten, dass im Betrieb die Erregung nicht abschaltbar ist, ansonsten erreicht der Motor unzulässig hohe Drehzahlen und dreht durch.
„In einem Motor mit Kompensationswicklung ist der magnetische Fluss Φ lastunabhängig. (…) Im Motorbetrieb ist [ ] der Ankerstrom vom Drehmoment der Last nahezu linear abhängig.“
- Reihenschlussmotor (Hauptschlussmotor)
Wie der Name schon sagt, ist der Anker zur Erregerwicklung in Reihe geschaltet. Der gesamte Ankerstrom fließt durch die Erregerwicklung. Reihenschlussmotoren haben das größte Anzugsmoment von allen Gleichstrommotoren. Beim Hochfahren sollte man darauf achten, dass ohne Belastung der Motor zerstört werden könnte, da Anker und Erregerstrom mit zunehmender Drehzahl abnehmen und durch diese Schwächung die Drehzahl gesteigert wird. Außerdem ist bei Reihenschlussmotoren die Drehzahl stark lastabhängig. Sie finden ihre Verwendung bei Straßenbahnen, Fernbahnen und Fahrzeugen, die beim Anfahren ein hohes Drehmoment entwickeln müssen.
- Doppelschlussmotor
Der Doppelschlussmotor ist eine Kombination aus Reihenschluss- und Nebenschlussmotor. Die Nebenschluss- und Reihenschlusswicklungen befinden sich auf den Hauptpolen. Sie sind so angeschlossen, dass ihre Magnetfelder die gleiche Richtung aufweisen. Da das Anzugsmoment bei Nebenschlussmotoren klein ist, benutzt man den Doppelschlussmotor, der auch Compoundmotor genannt wird, um ein großes Anzugsmoment zu erreichen. Die Drehzahl des Doppelschlussmotors ist nicht sehr lastabhängig. Die Drehzahl nimmt zwar mit zunehmendem Drehmoment etwas ab, aber diese Abnahme hält sich in Grenzen.
Anlassen eines Gleichstrommotors
Da der Motor ohne magnetischen Fluss kein Drehmoment erzeugen kann, muss zuerst ein Erregerfeld eingeschaltet werden. Das gilt auch für die fremderregte Maschine; hier muss die unabhängige Erregerwicklung zuerst angeschaltet werden. Durch einen Anlasser, der ein Vorwiderstand ist, begrenzt man den Strom auf zulässige Werte, da sonst der Motor zerstört werden könnte. Mit steigender Drehzahl wird der Vorwiderstand auf Null gesenkt. Beim Reihenschlussmotor muss auch zum Anlassen ein Vorwiderstand benutzt werden, um die Spannung auf zulässige Werte zu beschränken.
Abbremsen eines Gleichstrommotors
Um den Gleichstrommotor schnell zum Stillstand zu bringen, ist es erforderlich diesen abzubremsen. Bei diesem Vorgang kann der Gleichstrommotor als Generator wirken, indem man dem Antrieb die Energie entnimmt und seine Energie mithilfe eines Widerstandes in Wärme verwandelt oder die Spannung wieder in das Stromnetz einspeist. Durch das elektrische Abbremsen entsteht eine unbedeutende Abnutzung, jedoch, um den Motor endgültig zum Stillstand zu bringen, muss man eine mechanische Bremse benutzen, da die elektrische Wirkung zu gering ist. Arten des Bremsbetriebs:
- Widerstandsbremsung
Hier wird der Motor als Generator benutzt. Die Spannung wird in einen Widerstand gelenkt. Damit ein ausreichendes Bremsmoment zur Verfügung gestellt wird, muss der Widerstand bei abnehmender Drehzahl verkleinert werden, weil bei abnehmender Drehzahl die induzierte Spannung sinkt. Beim Nebenschlussmotor und beim fremderregten Motor wird nur der Anker auf einen Bremswiderstand geschaltet und gleichzeitig vom Netz genommen. Würde man dazu noch die Feldwicklung vom Netz nehmen, würde sich das Feld zu schnell abbauen und kaum Bremswirkung vorhanden sein. Der Reihenschlussmotor muss vom Netz genommen werden, damit eine Widerstandsbremsung durchgeführt werden kann; außerdem muss die Erregerwicklung umgepolt werden. Diese Methoden werden zum Beispiel bei Fahrzeugen oder Hebezeugen angewandt.
- Nutzbremsung
Hier arbeitet der Motor wieder als Generator, aber diesmal auf das Netz zurückwirkend. Da die Spannung beim Reihenschlussmotor zu stark vom Strom abhängt, kann sie normalerweise bei diesem nicht angewendet werden.
- Gegenstrombremsung
Hier wird durch Umpolung des Ankers die Drehrichtung des laufenden Motors geändert. Im Anker ist ein Bremswiderstand erforderlich, um den Ankerstrom zu begrenzen. Es muss darauf geachtet werden, dass der Motor rechtzeitig durch einen Schalter ausgeschaltet wird, weil er sich sonst in die andere Richtung drehen würde.
Ankerrückwirkung
Wenn der Anker belastet wird, fließt Strom durch ihn. In den Leiterschleifen im Anker fließt der Strom unter einem Pol in eine Richtung. Dadurch baut der Rotor ein eigenes Magnetfeld auf, das quer zum Hauptfeld verläuft. Dieses Magnetfeld bezeichnet man als Ankerquerfeld. Nun bilden das Hauptfeld und das Ankerfeld ein neues Magnetfeld. Dieses neue Magnetfeld ist im Gegensatz zum Hauptfeld etwas in Drehrichtung verschoben, was auch eine Verschiebung der neutralen Zone mit sich führt. Wenn sich die Bürsten außerhalb der neutralen Zone befinden, werden die Stromwenderlamellen kurzgeschlossen; es entsteht ein starkes Bürstenfeuer. Um solche Bürstenfeuer zu vermeiden, benutzt man die Wendepole, die der Ankerrückwirkung durch ein neues Magnetfeld entgegenwirken. Anker und Wendepole werden in Reihe geschaltet, da sich bei Vergrößerung des Ankerquerfeldes auch das Magnetfeld der Wendepole vergrößern muss.
Versuch und Kenngrößen eines Elektromotors
Zuerst benutzen wir die Leistungsbilanz um die Maschinenkonstante c in Vs und den ohmschen Widerstand der Ankerwicklung R in Ohm zu bestimmen. Die Formel dafür lautet: „
“
n= Drehzahl pro Sekunde in V= Versorgungsspannung in V
= Stromaufnahme in A
Durch das Produkt wird die aufgenommene elektrische Leistung berechnet. und kann man mit Strommessgeräten messen. Die elektrische Verlustleistung des Ankers wird durch beschrieben, die mechanische Leistung durch, die aus mechanischer Verlustleistung und mechanischer Nutzleistung bestehen; wobei in c der magnetische Verlust wie durch Luftwiderstand und Reibung usw. enthalten ist.
Nun muss man nur noch die Drehzahl bestimmen. Das ist leichter gesagt als getan. Man kann zum Beispiel die Drehzahl durch eine Lichtschranke bestimmen. Hierzu muss man eine Stange an dem Anker befestigen, so dass sie die Lichtschranke durchquert, dann kann ein Rechner die Anzahl der Unterbrechungen pro Sekunde zählen. Eine andere Möglichkeit ist, das Tonfrequenzspektrum mit einem Mikrofon zu messen. Anschließend rechnet ein Computer mit einem Fourieranalyse-Programm die Drehzahl aus. Um nun die Größen R und c, die noch unbekannt sind, zu ermitteln, braucht man die Stromaufnahme , die Spannungsaufnahme und die Drehzahl bei zwei verschiedenen Lastzuständen, die man nun misst. Hier bestimmt man diese fehlenden Größen im Leerlauf und bei einer Nennast:
Aus dem Versuchsbeispiel:
Leerlauf:
| Einheit: | Versuch 1 | Versuch 2 |
|---|---|---|
| U | 8V | 10V |
| I_{Le} | 0,58 A | 0,56 A |
| n_{Le} | 86 | 120 |
bei Last:
| Einheit: | Versuch 1 | Versuch 2 |
|---|---|---|
| U | 8V | 10V |
| I_{Le} | 1,08 A | 1,20 A |
| n_{Le} | 28 | 35 |
Nun setzt man in die vorhin angegebene Formel für die Leistungsbilanz ein. Aus zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten, lassen sich diese durch Umformen und Einsetzen berechnen. Versuch 1:
I: ׀ II . I: ׀
Einsetzen in II: .
6,05427975Ω 0,00830663
Anschließend berechnet man die mechanische Nutzleistung. Man erhält diese, indem man die mechanische Verlustleistung von der mechanischen Gesamtleistung abzieht.
Hier wird auch die Drehzahlabhängigkeit berücksichtigt.
Die Drehzahl wird bei dem blockierten Anker null, da er sich nicht mehr dreht und somit seine Drehzahl null ist; während des Leerlaufs ist sie am größten.
Aus der zuletzt genannten Formel lässt sich die mechanische Nutzlast durch Einsetzen errechnen.
0,73068894W
Um nun den Wirkungsgrad mit den gegebenen Größen berechnen zu können, benötigt man den Quotienten aus mechanischer Nutzleistung und der zugeführten elektrischen Leistung. Die elektrische Eingangsleistung ist das Produkt des eingehenden Stromes.
0,08457048 8,457048%
- Eine weitere Möglichkeit zu berechnen
Einfacher kann man den Wirkungsgrad durch die Leistung eines punktförmigen Körpers errechnen. Dazu benötigt man die Kraft F des Ankers, mit der er in eine Richtung zieht, den Radius r des Ankers und seine Drehzahl n: Laut Formelsammlung S. 14:
(mit S.19)
(mit S.18)
(mit da beide )
ist die mechanische Nutzleistung
- Herleitung der elektrischen und mechanischen Leistung
„ “ wobei die induzierte Spannung ist
Für den Motor gilt das 2. Kirchhoff´sche Gesetz:
Elektrische Energie:
wobei der Verlust in dem Anker darstellt und , die mechanische Leistung
Mechanische Leistung:
~ ,wobei die Drehzahl ist ~ ,wobei die Leerlaufdrehzahl ist
Drehzahl bei maximaler Leistung:
Bei halber Leerlaufdrehzahl ist die mechanische Energie maximal.
Erklärungen: Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Motor dreht, wird nicht wie bei linearen Bewegungen in angegeben sondern in . Die maximale Geschwindigkeit, mit der sich ein Motor dreht, ist während seines Leerlaufs, und wird als bezeichnet. Herleitung von in der Leistungsbilanz: Nach Kirchhoff:
da und
Da sich der Fluss bei Dauermagneten nicht verändert, kann man ihn vernachlässigen. Nun muss man mit multiplizieren und erhält die Leistungsbilanz:
Die Materialkonstante c ist bei jedem Motor unterschiedlich, da sie von Wicklungsarten, Ankerschaltungen, der Größe des Motors, der Wicklungszahl und anderen Faktoren abhängig ist.
- Zusammenhang zwischen Drehzahl und Stromaufnahme
Zunächst wird die Gleichung für die Leistungsbilanz nach n aufgelöst.
׀
׀
Um einen Graphen zu erhalten ist Daraus lässt sich folgender Graph zeichnen:
Drehstrommotor
Drehstromasynchronmotor
Die wichtigsten Drehstrommotoren sind Asynchronmotoren. Im Rotor wird durch das Ständerdrehfeld eine Spannung induziert. Durch diese Induktion dreht sich der Motor. Daher kann man diese auch als Induktionsmotoren bezeichnen. Nur im Bau des Rotors kann man Asynchronmotoren unterscheiden.
Motor mit Kurzschlussläufer
- Aufbau
Der Stator, der aus einem Statorblechpaket und der Statorwicklung besteht, ist an das Gehäuse montiert, das auch zum Stator gehört. Der Rotor besteht aus Blechpaketen, die auf der Welle angebracht sind. Darauf sind Nuten eingefräst, in denen die Leiterstäbe sitzen. Die Leiter sind an den beiden Enden durch Kurzschlussringe miteinander verbunden. Die Blechpakete sind auf Ständer und Rotor isoliert. .Somit werden die Wirbelstromverluste verringert.
- Funktionsweise
Durch das Drehfeld in der Statorwicklung wird die Flussänderung in der Leiterschleife des Rotors bewirkt. In den Leiterschleifen wird Strom induziert, der in den Leitern fließt, die durch Kurzschlussringe verbundenen sind. Die lenzsche Regel sagt aus, dass ein durch den induzierten Strom erzeugtes Magnetfeld, seiner Ursache entgegenwirkt. Somit entsteht ein Drehmoment, das den Rotor in Richtung des Ständerdrehfeldes rotieren lässt. Der Läufer darf die Drehfelddrehzahl nicht erreichen, da sonst in der betrachteten Leiterschleife die Flussänderung null wäre; dadurch gäbe es keine induzierte Spannung und kein Drehmoment. Die Differenz zwischen Drehfelddrehzahl und Rotordrehzahl wird als Schlupfdrehzahl bezeichnet. Diese beträgt bei Betrieb zwischen 3 und 8 Prozent. Da Drehfeld und Läufer mit unterschiedlichen Drehzahlen, das heißt nicht synchron rotieren, wird dieser Motor Asynchronmotor genannt.
- Anwendungen
Kurzschlussläufermotoren sind leicht, störfrei und wartungsarm, aber vor allem preisgünstig in der Anschaffung. Normalerweise benutzt man sie um Arbeitsmaschinen bis mittlerer Leistung anzutreiben. Zu diesen Arbeitsmaschinen zählen Gebläse, Hebezeuge und Werkzeugmaschinen.
Wechselstrommotor
Universalmotor
Der Universalmotor ist eine einfache Form des Wechselstrommotors. Eigentlich ist dieser ein Gleichstrommotor, der mit Wechselspannung läuft. Der Universalmotor darf aber nicht mit Dauermagneten betrieben werden, sondern mit Spulen, die um einen Eisenkern gewickelt sind, da die Polarität des Stroms mit der Frequenz von 50Hz wechselt. Aufgrund des Polaritätswechsels kann auf den Leiterschleifen im Anker kein Drehmoment entwickelt werden. Bei der Verwendung einer Spule wechselt die Polarität auf der Rotor- und Statorwicklung gleichzeitig. Somit funktioniert der Universalmotor praktisch wie ein Gleichstrommotor. Dieser Motor eignet sich für alle Geräte und Werkzeuge des täglichen Gebrauchs, da er klein ist, ein hohes Drehmoment hat und seine Drehzahl verstellbar ist.
Einphasenasynchronmotor
Der Einphasenasynchronmotor ist vom Aufbau her, wie der Motor mit Kurzschlussläufer im Kapitel Drehstrommotoren. Da bei diesem kein Drehfeld vorliegt muss er angeschoben werden um anlaufen zu können. Um den Motor selbstständig anlaufen zu lassen, benötigt man ein selbst erzeugtes Drehfeld, das durch Phasenverschiebung entsteht. Dies geschieht meist durch Kondensatoren. Hier wird die Hauptwicklung direkt an das Stromnetz angeschlossen und mit einer Hilfswicklung über Kondensatoren in Reihe geschaltet. Diese Anordnung reicht aus, um den Motor zu betreiben, nicht aber um ihn ruhig laufen zu lassen. Für einen ruhigen Lauf benötigt man einen Anlaufkondensator, der parallel geschaltet wird. Bei hoher Drehzahl muss er durch einen Fliehkraftschalter wieder von dem Stromkreis getrennt werden. Dieser Motor wird zum Beispiel in die meisten Waschmaschinen eingebaut.
Kategorisierung
- Drehfeldmaschinen
- Stromwendermaschinen bzw. Kommutatormotoren
- Linearmotor
