Elektromotor
Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die mit Hilfe von magnetischen Feldern hauptsächlich elektrische in mechanische Arbeit umwandelt, indem sie eine Kraft oder ein Moment und damit auch eine Bewegung erzeugen kann. Damit ist sie gewissermaßen das Gegenstück zum Generator. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0,6 und 0,98 (typisch: unter 1 kW 0,6 bis 0,9, darüber Annäherung an 1). Auf dem "Anker" ist eine Spule aufgewickelt, durch die Strom fließt. Durch das umgebende Magnetfeld entsteht eine Lorentzkraft, die den Anker, der mit der Achse fest verbunden ist, rotieren lässt. Auf diese Weise kann elektrische Energie in Bewegungsenergie gewandelt werden.
Als Erfinder des Elektromotors gilt Johann Kravogl, wobei auch der Physiker Ányos Jedlik eine Urform des Elektromotors konstruierte. Der Erfinder des Wechselstrommotors heißt Nikola Tesla.
Arbeitsprinzip
Meist drehen Motore, sie können aber auch versetzende (translatorische) Bewegungen ausführen (Linearmotor).
Bewegungsart: Rotation (Drehung)
Dieses Prinzip setzt die elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um, die dann an einer Welle abgenommen werden kann. Rotationsmaschinen können als Innenläufer oder Aussenläufer ausgeführt sein.
Bewegungsart : Translation (Versetzung, nicht drehend)
siehe Linearmotor
Bauarten
Zur Stromübertragung auf die beweglichen Spulen werden sog. Bürsten eingesetzt:
- Zur Übertragung auf den sog. Kollektor (bei Gleichstrom- Wechselstrom- und Allstrommotoren)
- Bei Drehstrommotoren übertragen die Bürsten Ströme auf Schleifringe.
Bürstenbehafteter Motor
Bei einem bürstenbehafteten Motor wird dem Rotor Energie in Form von elektrischem Strom, über Bürsten oder Schleifringe zugeführt, um ein Magnetfeld im Läufer zu erzeugen.
Bürstenloser Motor
Hier wird als Rotor ein Permanentmagnet oder Weicheisenkern verwendet. Dem Rotor wird hier kein elektrischer Strom zugeführt. Das Magnetfeld ist entweder immer vorhanden (Permanentmagnetrotor) oder es wird durch Induktion im Käfig eines Kurzschlußläufer erzeugt.
Innenläufer
Das Motorgehäuse ist feststehend und beinhaltet den rohrförmigen Stator mit den Statorspulen, der Rotor (drehend, beweglich) ist innerhalb des Stators eingebaut.
Außenläufer
Im Gegensatz zum "Innenläufer" ist der kreisförmige Stator mit den Statorspulen innen. Der Rotor ist ringförmig um den Stator herum (ausserhalb) konstruiert und meist gleichzeitig als mitdrehendes Gehäuse ausgeführt.
Motorarten
- Linearmotor
- Schrittmotor
- Reluktanzmotor, SR-Motor (Switched Reluktanz Motor)
- Gleichstrommotor
- Drehfeldmotor : Synchronmotor, Asynchronmotor
Funktionsprinzipien
Es gibt eine große Zahl verschiedener Motorprinzipien. Die meisten haben jedoch nur noch historische Bedeutung. Heute werden im Prinzip lediglich folgende Varianten ausgeführt:
Der Begriff Gleichstrommaschinen bezeichnet sowohl Motoren, als auch Generatoren. Beim Generator wird durch die Drehung des Ankers im Magnetfeld der Pole eine Spannung induziert. Diese Spannung kann an den Schleifkohlen abgenommen werden. Bei Belastung fließt in der Ankerwicklung, bei den n/2 Spulen unter dem N-Pol ein am Rand der Pole ansteigender, direkt unter dem Pol ein gleichbleibender und beim Verlassen des Poles ein allmählich abnehmender Strom. Da die Spulen alle in Reihe geschaltet sind, addieren sich die einzelnen Windungsspannungen bzw. auch die darin induzierten Gegenspannungen und treten nach außen als die Summe dieser gegenüber der angelegten Netzspannung zutage. Es ist dies eine Halbwelle eines fast sinusförmigen Wechselstroms, der durch Kommutator und Bürsten nach außen hin immer als gewellter (aus einer Aneinanderreihung von positiven Halbwellen des Wechselstromes) Gleichstrom (beim Generator) abgenommen werden kann, oder beim Motorbetrieb eingespeist werden muss.
Der Rotor, auch Anker bezeichnet, besitzt eine sog. Kommutatorwicklung, auch Kollektorwicklung genannt. Die Bezeichnung Kommutator bzw. Kollektor rührt von jenen im Kreis angeordneten Kupferlamellen her, die voneinander meist mittels Isolation elektrisch getrennt sind und auf denen die Grafitkohlen, situiert in den beiden magnetfeldfreien Zonen, den Ankerstrom übertragen.
Die Ankerwicklung, bestehend aus so vielen Einzelspulen, wie der Kommutator Lamellen aufweist, erzeugt jeweils eine dem N-Pol im Stator gleiche Polung (N-Pol), die eine Abstoßung der Pole bewirkt. Auf der gegenüberliegenden Ankerhälfte gilt dasselbe mit dem Südpol.
Die Wicklung des Ankers wird als Schleifenwicklung bezeichnet, weil die n Spulen 2n Enden aufweisen, die in die Kupferlamellen eingelötet und/oder eingepresst werden. Wicklung 1 beginnt, angenommen bei Lamelle 1 und weist w = 100 Windungen auf. Sie endet bei der Nachbarlamelle 2. Genau hier beginnt gleichzeitig auch die 2. Spule mit ihren 100 Windungen und endet bei Lamelle 3. Dort beginnt wieder Spule 3 usw., bis zur Spule n. Nach Umrundung des Ankers, mit ihrem Ende die Lamelle 1 erreicht. Da eine der Schleifkohlen den P-Pol führt, die andere den N-Pol, durchfließt die Hälfte des Ankerstromes die oberen n/2 Spulen hintereinander. Man erhält die Ampèrewindung:
- in [A]
Da die Ampèrewindungzahl dimensionslos ist, verbleibt nur [A].
In der Realität beeinflusst das Rotormagnetfeld die Magnetpole im Stator, außerdem entsteht durch Induktivität beim Abschalten des Stromes einer Spule und Umkehrung der Richtung des Stromes in den eben zum Südpol übergewechselten Spulen, eine unerwünschte Spannung an den Enden der Induktionsspule und damit an den nebeneinanderliegenden Kollektorlamellen. Diese „Funken“ nennt man das Kollektorfeuer, welches mittels eines Entstörkondensators insofern in ihrer Auswirkung gemildert werden, dass Funkstörungen nicht mehr auftreten.
Im Stator befinden sich ausgeprägte Pole. Im Kleinmotorenbereich sind die Pole aus Permanentmagneten, bei größeren Motoren sind die Pole gewickelt und stromerregt. Je nachdem, welcher Strom für die Polerregung herangezogen wird, unterscheidet man zwischen einer Reihenschlussmaschine und einer Nebenschlussmaschine.
Reihenschlussmaschine/Reihenschlussmotor
Bei der Reihenschlussmaschine leitet man den Ankerstrom, nachdem er bei der N–Pol-Schleifkohle austritt, zu den Wicklungen der Statormagneten, die hintereinander geschaltet unter Berücksichtigung des Wickelsinnes wieder den magnetischen Nord- und Südpol erzeugen. Die sehr positive Charakteristik des Drehmomentverlaufes, aufgetragen über der Drehzahl-Abszisse (x-Achse), entsteht dadurch, dass ein höherer Stromfluss bei Belastung sowohl im Anker, als auch in den Magnetfeldspulen ein kräftigeres Magnetfeld erzeugen. Sie stoßen sich kräftiger ab. Zum höheren Ankerstrom kommt es deshalb, weil durch Drehzahlverringerung unter Last weniger Gegenspannung, welche sonst der angelegten Netzspannung entgegenwirkt, induziert wird (Geschwindigkeit der Leiter im Magnetfeld ist geringer) und damit der verbliebene höhere Netzspannungsanteil mehr Strom durch den Anker sowie die Magnetfeldspulen im Stator treibt.
Nebenschlussmaschine/Nebenschlussmotor
Bei der Nebenschlussmaschine liegt der Anker an der Netzspannung. Die Magnetfeldspulen sind auch hintereinander geschaltet, haben jedoch wesentlich schwächere Drahtquerschnitte, weisen dafür sehr viel mehr Windungen auf. Das Produkt aus hoher Windungszahl mal schwachem Strom ist gleich groß wie bei der Reihenschlussmaschine und erzeugt ein gleich starkes Magnetfeld. Sie sind nun dem Anker parallel geschaltet, liegen nun ebenfalls wie der Anker an der Netzspannung. Ihre Charakteristik des Drehmomentes über der Drehzahl aufgetragen, ergibt einen nachgiebigeren Verlauf, das Drehmoment wird nur mehr durch den sich erhöhenden Ankerstrom stärker, jedoch der Magnetismus der Statorpole bleibt beinahe unverändert, weil sie ja an einer konstanten Netzspannung angeschlossen sind, die von der Belastungsdrehzahl völlig unbeeinflusst bleibt.
Compoundmaschine
Will man beide Vorteile miteinander kombinieren, baut man die so genannte Compoundmaschine bzw. Compoundmotor. Bei dieser bleibt der Anker im Wesentlichen unverändert, die Spulen der Statormagnete sind geteilt, in eine Hälfte mit vielen dünnen Drähten, die jeweils die halbe Magnetisierung beisteuern, sowie einer Wicklung mit verhältnismäßig wenigen Windungen bei gleichzeitig starkem, den vollen Ankerstrom führenden Querschnitt, der die zweite Hälfte der Magnetisierung der Pole bringt. Die Spulen der Statormagnete mit den vielen Windungen sind wieder hintereinander geschaltet und gleichzeitig parallel zum Anker und damit an der vollen Netzspannung. Die wenigen und starken Windungen der zweiten Spulenhälften sind wiederum in Reihe mit dem Ankerstrom geschaltet. Damit besitzt die Kompoundmaschine von beiden Maschinen positive Eigenschaften.
Universalmotor
(Allstrommotor, Einphasen-Reihenschluss-Motor) Drehmomenterzeugung wie beim Gleichstromreihenschlussmotor, die Pole im Stator sind also elektrisch in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet. Daher kann der Motor mit technischen Einbußen auch mit Wechselstrom betrieben werden. Da sich jeweils im Rhythmus der doppelten Netzfrequenz eine Umpolung der elektrisch erregten Feldmagnete und gleichzeitig auch der Rotormagnete erfolgt. Durch den Betrieb mit Wechselstrom wird als parasitärer Effekt eine transformatorische Spannung in die durch die Bürsten kurzgeschlossene Spule induziert und es entsteht ein nicht unerheblicher Kurzschlussstrom in der sog. K-Spule. Dadurch entsteht bei Universalmotoren (Küchenmaschinen, Staubsauger, Bohrmaschinen etc.) das sogenannte Bürstenfeuer. Ein weiteres Merkmal ist das Vermögen, bei durch Belastung niedriger werdenen Drehzahl, ein immer größeres Drehmoment abzugeben, das natürlich auch nach einer höheren Stromaufnahme verlangt.
Anwendung findet der Universalmotor vor allem in Küchenmaschinen, Staubsaugern, Handbohrmaschinen und als Anlassermotor bei Verbrennungsmotoren.
Im großen Masstab und eigentlich nach dem gleichen Wirkprinzip arbeitet der sog. Bahnmotor oder Einphasenreihenschlussmotor. Dieses Motorprinzip wurde während des 20. Jahrhunderts bei der Elektrifizierung der europäischen Bahnen (Österreich, Schweiz, Deutschland, Skandinavien (ohne Dänemark)) eingesetzt und ist der Grund für die Wahl der Bahnfrequenz in diesen Ländern von 16 2/3 Hz. Wird heute jedoch nicht mehr eingesetzt.
Bürstenloser Gleichstrommotor
Der bürstenlose, oder elektronisch kommutierte, Motor ist eine Mischform von Synchronmotor und Gleichstrommotor, bei dem mit einer Steuerschaltung ein künstliches Drehstromnetz erzeugt, auf die Spulen im Stator gegeben und damit ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird. Der Rotor besteht in der Regel aus Permanentmagneten, die vom Statormagnetfeld vor sich "hergeschoben" (Abstoßung)werden.Im Leerlauf (fast ohne Drehmoment) eilen die Permanentmagnete vor dem Statorfeld. Mit zunehmend dem Motor abverlangtem Drehmoment (Belastung) verändert sich die Phasenlage zwischen Stator- und Rotorfeld. Der Motor wird auch als EC-Motor (electronically commutated) oder als BLDC-Motor bezeichnet (Brushless DC).
Das Drehfeld der Spulen im Stator induziert eine Spannung in der Rotorwicklung. Die Rotorwicklung kann als 3-strängige Drehstromwicklung (Schleifringläufer) oder als Käfigwicklung (Käfigläufer) ausgeführt sein. Durch den direkten Kurzschluss der Wicklung (Käfigläufer, Schleifringläufer) oder mittels eines Widerstandes (Schleifringläufer) entsteht der Strom, der das Drehmoment erzeugt. Wenn der Rotor synchron mit dem Drehfeld rotiert, kann keine Spannung induziert werden und daher auch kein Kurzschlussstrom fließen (Leerlauf). Folglich ist bei Belastung immer ein Schlupf zwischen rotierendem Drehfeld und Rotor erforderlich - daher die Bezeichnung Asynchronmotor. Im technischen Sprachgebrauch und im Englischen wird der Motor aufgrund des Wirkungsprinzips (s.o.) häufig Induktionsmotor benannt. Asynchronmotoren mit Käfigläufer sind relativ einfach aufgebaut, robust im Einsatz, wenig störanfällig und preiswert. Daher stellen sie bei Antrieben mit größeren Leistungen den Hauptteil der Bauformen.
Auf dem Rotor (Induktor, Polrad) ist eine Einrichtung vorhanden, die ein rotorfeststehendes Magnetfeld mit Nord- und Südpolen erzeugt. Im Kleinmotorenbereich sind sie regelmäßig in Form von Permanentmagneten, im Großmaschinenbereich traditionell als gewickelte Pole ausgeführt. Heute erlangt jedoch auch im Großmaschinenbereich zunehmend die Ausführung mit Permanentmagneten mehr Gewicht. Setzt man das Polrad in Rotation entsteht ein Drehfeld, das in der stillstehenden Statorwicklung eine Spannung induziert. Die Frequenz dieser Spannung ist streng proportional zur Drehzahl und Anzahl von Polen auf dem Polrad. Schaltet man die Statorwicklung an eine Drehspannung gleicher Frequenz, Phasenlage und Amplitude passiert zunächst nichts, da die induzierte Spannung und die außen anliegende Spannung sich gegenseitig das Gleichgewicht halten. Die Maschine erzeugt das Drehmoment, wenn sich durch Belastung die Phasenlage der Spannungen gegenseitig verschiebt. Die Maschine kann jedoch nur bei synchronem Lauf ein Drehmoment erzeugen.
Der Drehstrom Nebenschlussmotor ist ein Drehstrom-Kollektormotor. Der Name Nebenschlussmotor ist auf sein Betriebsverhalten zurückzuführen, und hat nichts mit seiner Schaltung zu tun. Er wurde in den Zeiten, als drehzahlveränderliche Antriebe mit Elektronik noch sehr teuer waren, als drehzahlveränderlicher Antrieb eingesetzt.
Geschalteter Reluktanzmotor
(engl. Switched Reluctance Motor, SRM) Während die beiden eben beschriebenen Motorvarianten aufgrund der sog. Lorentz-Kraft ihr Drehmoment erzeugen (Kraft auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld) entwickelt der geschaltete Reluktanzmotor sein Moment aufgrund von magnetischen Grenzflächenkräften, die an Flächen entstehen, wo sich die magnetische Permeabiltität des Materials verändert. Der Motor besitzt einen Rotor aus weichmagnetischem Material (z. B. Stahl) mit ausgeprägten Polen, die jedoch nicht magnetisiert sind. Der Stator besteht aus einer von der Rotorpolzahl verschiedenen Anzahl von rotationssymmetrisch angeordneten Einzelpolen. Die Anzahl von Statorpolen ist im Regelfall schwach größer als die Anzahl von Rotorpolen. Durch eine elektronische Schaltung wird der Strom von Statorpol zu Statorpol zyklisch weitergeschaltet, dadurch werden die Rotorpole mitgenommen. Es entsteht ein Drehmoment.
Variante des geschalteten Reluktanzmotors (im elektromagnetischem Sinn) bei dem jedoch die Anzahl der Pole erheblich größer ist als beim SRM. Daher Ausführung in Klauenpolform mit zwei oder vier Ringspulen.