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Inhaltsangabe:
1. Einsatzgebiete von Gleichstrommotoren
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2. Wann und Warum werden Gleichstrommotoren eingesetzt?
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3. Wie wird der Gleichstrommotor angeschlossen?
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3.1 Gleichstromnebenschlussmotor
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3.2 Gleichstromreihenschlussmotor
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3.3 Schrittmotor
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3.4 elektronisch kommutierte Motoren
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4. Datenblätter
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5. Quellen
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1. Einsatzgebiete von Gleichstrommotoren
Überall wo drehzahlgesteuerte und geregelte Antrieb benötigt werden, lassen sich
Gleichstrommotoren einsetzen. Diese werden in Fahrzeugen (Anlasser, Scheibenwischer,
Gebläse- und Stellmotoren / Servomotor) eingesetzt.
Ein typisches Einsatzgebiet sind Orte, wo nur Akkumulatoren oder Batterien für eine
Stromversorgung möglich sind. Auch in der Industrie kommen Gleichstrommotoren in
Werkzeugmaschinen, Hubgeräten, Walzstraßen, Förderanlagen und Robotern vor.
Ihre Bandbreite geht von Antriebsmotoren für Nahverkehrsbahnen bis hin zu elektrischen
Miniaturmodellen von wenigen Millimetern Größe.
Durch den verstärkten Einsatz der Mikroelektronik in der Antriebstechnik wird die
Bedeutung von Gleichstromantrieben zwar stetig geringer, jedoch ist der Einsatz von
Frequenzumrichtern für Drehstromantriebe momentan noch nicht in jedem Fall wirtschaftlich
sinnvoll.
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Wann und Warum werden Gleichstrommotoren eingesetzt?
Die Drehzahl und das Drehmoment lassen sich bei Gleichstrommotoren sehr einfach steuern.
Zusätzlich verfügt sie über eine hohe Rundlaufgüte. Es gibt sehr kleine Motoren mit einer
Leistung von unter einem Watt, die für Feinwerktechnik konstruiert werden. Großmotoren,
die mit einer Spannung von 1500 V betrieben werden nehmen über 10.000 kW Leistung auf.
Sehr weit verbreitet sind Motoren bis ca. 100 W. Viele von ihnen werden durch
Dauermagneten betrieben. Aufgrund des hohen Anlaufdrehmoments und der guten
Steuerbarkeit der Fahrgeschwindigkeit über die Betriebsspannung findet dieser Motor vor
allem in Straßenbahnen und Lokomotiven Verwendung.
Da der Laststrom bei zunehmender Belastung nur mit der Wurzel des Drehmomentes steigt,
eignet sich der Reihenschlussmotor besonders bei Schweranlauf.
A: Ankerstrom (links) und B: Drehzahl (rechts) als Funktion des belastenden Moments beim
Reihenschlussmotor.
3. Wie wird der Gleichstrommotor angeschlossen?
3.1 Gleichstromnebenschlussmotor
Die Nebenschluss-Erregerwicklung ist parallel zum Ankerstromkreis geschaltet und an eine
feste, gleich bleibende Spannung angeschlossen. Der Erregerstrom hängt somit nicht von der
Belastung ab und beträgt nur wenige Prozent des Ankerstroms.
Im Bereich der Industrieantriebe werden vor allem fremderregte Gleichstromnebenschlussmotoren angewandt, da die Drehzahl dieser Maschinen leicht zu regeln ist. Im
Gegensatz zum selbsterregten Gleichstromnebenschlussmotor besitzt er einen vom
Ankerstrom getrennten Stromkreis, der nur die Erregerwicklungen durchfließt
(Fremderregung). Falls die Spannung dieses Stromkreises konstant ist, entspricht das
Schaltbild des Gleichstromnebenschlussmotors dem des fremderregten
Gleichstromnebenschlussmotors.
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Der Kreis mit dem Motorzeichen M stellt die eigentliche Leiterschleife dar, die im
Magnetfluss F der Erregerspulen rotiert. Infolge dieser Drehbewegung, die mit der
Winkelgeschwindigkeit W = 2p n erfolgt (n ist die Drehzahl des Ankers), wird in den
Erregerspulen eine Urspannung induziert, die dem Ankerstrom IA entgegenwirkt (Lenzsche
Regel). Die Urspannung E hat dieselbe Richtung wie die Ankerspannung U: Sie geht von der
Plusklemme A1 über den Kollektor in die Leiterschleifen des Ankers, welche den Widerstand
RA aufweisen und von dort wiederum zurück über den Kollektor zur Minusklemme A2.
Ersatzschaltbild eines fremderregten
Gleichstrommotors
Folgende zwei Schaltungen (gleiche Funktion
mit unterschiedlichen Transistortypen) liefern
das Grundmuster für die meisten vorgestellten
Motoren mit externer Versorgungsspannung
Schaltung mit Darlington-Transistor BD645 (tauschbar gegen BD647, BD649)
D* = 1N4004, R* = 100 Ohm (Richtwert), C* = 100 nF (Richtwert)
Schaltung mit "smart Transistor" BUK100-50GL
D* = 1N4004, R* = 100 Ohm (Richtwert), C* = 100 nF (Richtwert)
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Die Diode 1N4004 in der Versorgungsleitung der Sensorbox sperrt während der negativen
Störimpulse an der Aktuator-Versorgung und hält diese von der Sensorbox fern. Der 100 uF
Kondensator überbrückt die dabei eintretenden kurzen Unterbrechungen der
Stromversorgung. Positive Störimpulse werden in der Sensorbox stabilisiert
Der große Elektrolytkondensator 1000 uF puffert die Betriebsspannung am Motor und hält sie
während der Belastungsspitzen stabil. Elektrolytkondensatoren haben allerdings eine gewisse
Reaktionszeit, diese wird durch den kleineren aber schneller reagierenden keramischen
Kondensator überbrückt. Die RC-Kombination R* C* dämpft die Schalt- und
Kommutierungsimpulse des Motors und schließt dabei entstehende Hochfrequenzstörungen
kurz, die insbesondere bei Gleichstrommotoren durch Funken an den Bürsten entstehen. Die
angegebenen Werte sind optimiert für einen 12 Volt Mabuchi- Motor mittleren Kalibers.
Diode D* ist hier extrem wichtig.
3.2 Gleichstromreihenschlussmotor
Die Drehzahl n ist sehr Lastabhängig. Wird der Motor belastet, so steigt der Ankerstrom Ia
und damit der Erregerstrom If an, denn es gilt I = Ia = If.
Bei steigendem Erregerstrom If wird die Drehzahl n kleiner. Wird die Belastung des Motors
kleiner so steigt seine Drehzahl stark an. Bei Leerlauf wird sie unzulässig hoch, „Der Motor
geht durch“. Reihenschlussmotoren dürfen deshalb nicht ohne Belastung betrieben werden.
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3.3 Schrittmotor
Schrittmotoren erzeugen ihre Rotation auch durch ein Drehfeld. Bei diesem Motorentyp ist
das Drehfeld aber gezielt durch einzelne Impulse steuerbar.
Beispielschaltung:
3.4 elektronisch kommutierte Motoren
Elektronisch kommutierte Motoren ersetzen die störanfällige elektromechanische Polwendung
durch Rotations- Sensoren und elektronische Schalter. Solche Motoren brauchen auf jeden
Fall ein spezielles, herstellerspezifisches Steuergerät, teilweise bereits im Motor eingebaut. Je
nach Ausführung kann dieses ein digitales oder analoges Steuerinterface haben. Analoge
Interfaces können mit der Sensorbox gesteuert werden, dies erfordert aber jeweils spezielle
Anpassung und wird hier nicht weiter verfolgt.
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Datenbläter
Manuel sei Arbeit
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5. Quellen
-
Buch:
Elektrotechnik
Fachstufe 1 und 2 Energietechnik
Verlag Westermann
5. Auflage 1986
-
Programm (Lexikon):
Microsoft Encarta Enzyklopädie 2006 Professional
Internetseite:
-
www.google.de
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