Elektromotoren
Elektromotor bezeichnet einen elektromechanischen Wandler, der
elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. In
Elektromotoren wird die Kraft, - die von einem Magnetfeld auf die
stromdurchflossenen Leiter einer Spule ausgeübt wird, - in Bewegung
umgesetzt.
Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum Generator, der
Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt.
Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können
aber auch translatorische Bewegungen ausführen (Linearantrieb).
Elektromotoren werden zum Antrieb verschiedener Arbeitsmaschinen
und Fahrzeuge (vor allem Schienenfahrzeuge) eingesetzt.
Elektromotorarten
Energieumwandlung bei Motoren
Elektromotorarten 1
Drehfeld- und Wanderfeld-Maschinen
•Drehstrommotor
- Drehstrom-Asynchronmaschine
- Drehstrom-Synchronmaschine
- Kaskadenmaschine
•Linearmotor
•Wechselstrommotoren:
- Kondensatormotor
- Spaltpolmotor
- Synchronmotor/Einphasenasynchronmotor
- Reluktanzmotor
- Magnetmotor
•Schrittmotor
Elektromotorarten 2
Stromwender- bzw. Kommutator-Maschine
• Gleichstrommotor
• Universalmotor (für Gleich- und Wechselstrom)
• Repulsionsmotor
- permanent erregter Gleichstrommotor
- elektrisch erregter Gleichstrommotor
- Reihenschlussmotor
- Nebenschlussmotor
- Verbundmotor
- Fremderregter
- elektronisch kommutierter Gleichstrommotor
Grundprinzip der Elektromotoren
Grundprinzip/Funktionsweise
Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Kräften, die
verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben (Lorentzkraft).
Gleichstrommaschine
Unter einer Gleichstrommaschine versteht man eine rotierende
elektrische Maschine, welche mit Gleichstrom betrieben wird bzw.
Gleichstrom liefert.
Je nach Richtung des Leistungflusses wird zwischen dem
Gleichstrommotor und dem Gleichstromgenerator, eine Bauform von
elektrischer Generator, unterschieden.
Zu den Vorteilen der Gleichstrommaschinen gehören gutes
Anlaufverhalten und gute Regelbarkeit.
Gleichstrommotor (Kommutatormotor)
Der (feststehende) Stator ist bei einem
Gleichstrommotor ein Dauermagnet
mit
Polschuhen.
Bei
einem
Wechselstrommotor besteht der Stator
hingegen aus einem Elektromagneten.
Wird
Strom
durch
diesen
Elektromagneten geleitet, entsteht ein
Magnetfeld im Stator (Orsted-Prinzip)
Im Inneren des Stators ist ein Rotor, der
in den meisten Fällen aus einer Spule mit
Eisenkern (dem sogenannten Anker)
besteht, der drehbar im Magnetfeld
zwischen den Polschuhen des Stators
gelagert ist.
Gleichstrommotor (Kommutatormotor)
Hätte ein solcher Motor keinen Kommutator, würde sich der Anker so
weit drehen, bis das Rotormagnetfeld zum Statorfeld gleichgerichtet
ist. Damit er an diesem „toten Punkt“ nicht stehen bleibt, wird der
Strom in den Ankerspulen mit Hilfe des Kommutators (auch
Stromwender oder Kollektor genannt) bei jedem neuen Segment
umgeschaltet.
Der Kommutator besteht aus Metallsegmenten, die eine durch schmale
Streifen nichtleitenden Materials (Kunststoff, Luft) unterbrochene
Zylinder- oder Kreisfläche bilden. An den Segmenten sind die
Ankerwicklungen angeschlossen. Am Kommutator liegen, durch
Federn angedrückt, meist zwei Kohlebürsten an, die den Strom
zuführen. Mit jeder Drehung des Rotors wird die Stromrichtung durch
die Ankerwicklungen geändert und es gelangen diejenigen Leiter in
das Magnetfeld des Stators, deren Stromfluss so gerichtet ist, dass ein
Drehmoment erzeugt wird.
Gleichstrommotor (Kommutatormotor)
Das Magnetfeld im Rotor steht – relativ zum Stator – fest, der
Eisenkern des sich drehenden Ankers muss daher zur Vermeidung von
Wirbelströmen aus einem Blechstapel bestehen
Nach diesem Prinzip können auch Wechselstrommotoren gebaut
werden, wenn das Erregerfeld mit dem Wechselstrom ebenfalls seine
Polung ändert (Universalmotor). Dann muss auch der Stator aus einem
Blechpaket bestehen.
Strom und Spannung
Wenn in einem Draht Strom fliesst, so bedeutet das, dass sich
Elektronen durch den Draht bewegen.
Diese Bewegung lässt sich vergleichen mit der Bewegung von Wasser
durch einen Gartenschlauch. Der Strom misst die Menge der
Elektronen, die sich durch den Draht bewegen – das entspricht beim
Gartenschlauch der Wassermenge, die pro Sekunde in den Schlauch
strömt.
Die Spannung lässt sich mit dem Druck vergleichen, mit dem das
Wasser durch den Schlauch strömt.
Strom und Spannung
Strom und Spannung sind nicht unabhängig voneinander. Das heisst,
es ist nicht möglich, beide nach Belieben einzustellen.
Die Labornetzgeräte haben zwar sowohl für den Strom als auch für die
Spannung einen eigenen Regelknopf, aber sobald Sie an einem der
Knöpfe drehen, ändert sich auch die andere Grösse.
Normalerweise ist der Strom um so grösser, je grösser die Spannung
ist.
Das lässt sich mit dem Modell des Gartenschlauchs gut verstehen: Je
mehr Druck das Wasser im Schlauch hat, desto schneller strömt es
durch den Schlauch, und desto mehr Wasser kommt pro Sekunde
heraus.
Energieumwandlung bei Motoren
Energieumwandlung bei Motoren
Permanenterregte Gleichstrommaschine
Das Stator-Magnetfeld wird bei kleineren Motoren (Spielzeug,
Stellantriebe, Gebläse und Kühler-Ventilatoren in Kraftfahrzeugen) oft
durch Permanentmagnete erzeugt. Diese Magnete sind mit der
Entwicklung der Gleichstrommotoren immer leistungsfähiger geworden
und gestatten heute den Bau von Motoren, die in ihrer Leistung denen
mit elektrischer Erregung nicht nachstehen. Die Kosten der
Permanentmagnete sind jedoch bei größeren Motoren oft höher als
diejenigen einer Erregerwicklung.
Permanenterregte Motoren haben sehr hohe Einschaltströme. Ihr
Betriebsverhalten ist in den mathematischen Grundlagen erklärt.
Permanenterregte Maschinen haben den Vorteil, dass zur Erzeugung des
Magnetfeldes keine Energie benötigt wird. Das verbessert besonders bei
kleiner Gesamtleistung den Wirkungsgrad. Der Nachteil besteht darin,
dass Feldschwächung unmöglich und damit der mögliche
Drehzahlbereich kleiner ist.
Permanenterregte Gleichstrommaschine
Schnittdarstellung durch eine permanent erregte Gleichstrommaschine
Elektrisch erregte Gleichstrommaschine
Wird das Statorfeld durch einen Elektromagneten erzeugt, spricht
man von elektrischer Erregung.
Ist die Erregerwicklung vom Ankerstromkreis unabhängig, spricht
man von Fremderregung. (Fremderregte Maschinen)
Sind die Rotor- und Statorwicklung miteinander verbunden,
unterscheidet man:
• Reihenschlussmaschine
• Nebenschlussmaschine
• Verbundmaschine
Reihenschlussmaschine
Der Reihenschlussmotor wird auch Hauptschlussmaschine genannt, bei
ihm sind Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschaltet. Die
Erregerwicklung muss daher im Gegensatz zum Nebenschlussmotor
niederohmig sein. Bei einer Speisung mit Wechselspannung wechseln
sowohl Erregerfeld als auch der Ankerstrom ihre Richtung nach jeder
Halbwelle, so dass der Motor auch an Wechselspannung verwendbar ist.
Reihenschlussmaschine
Der Eisenkern des Stators muss hierzu jedoch, um Wirbelströme zu
vermeiden, aus einem Blechpaket bestehen
Mit Universal- oder Allstrommotor treiben sie viele
Haushaltsmaschinen,
wie
Staubsauger,
Küchenmaschinen,
Bohrmaschinen und andere Elektro-Handgeräte, an.
Auch
die
Anlasser
von
Verbrennungsmotoren
sind
Reihenschlussmotoren.
Reihenschlussmaschine
Reihenschlussmaschine
Reihenschlussmaschine
Nebenschlussmaschine
Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung
parallelgeschaltet. Ein Wechselspannungsbetrieb ist schlecht möglich, da
Erreger- und Ankerstrom aufgrund des hohen Blindanteiles des Stromes
durch die Erregerwicklung (große Induktivität) eine unterschiedliche
Phasenlage besitzen. Die Drehzahl großer Nebenschluss-Motoren ist
nahezu lastunabhängig.
Nebenschlussmaschine
Nebenschlussmotoren können bei Unterbrechung des Erregerkreises
durchgehen, da beim Zusammenbrechen des Erregerfeldes die Drehzahl
und Stromaufnahme bei gleicher Versorgungsspannung drastisch
ansteigt.
Nebenschlussmaschine
Nebenschlussmotoren können als Generator (z. B. zur Bremsung)
arbeiten, wenn eine Hilfsspannungsquelle oder eine Restmagnetisierung
dafür sorgen, dass beim Start des Bremsvorganges eine Erregung
vorhanden ist.
Mit steigender Erregung oder Drehzahl steigt auch die generierte
Spannung – es ist die Spannung, die auch bei Motorbetrieb dem
speisenden Strom entgegen wirkt und für eine konstante Drehzahl sorgt.
Sie wird daher auch Gegen-EMK genannt.
Verbundmaschine
Der Doppelschlussmotor (auch Verbund- oder Compound-Motor
genannt) vereinigt die Eigenschaften des Neben- und des
Reihenschlussmotors in einer Maschine. Er hat eine Reihenschluss- und
eine Nebenschlusswicklung.
Je nach Auslegung hat der Doppelschlussmotor unterschiedliches
Betriebsverhalten.
Bei richtiger Kompoundierung hat er ein etwas geringeres
Anzugsdrehmoment als ein gleichwertiger Reihenschlussmotor. Seine
Drehzahl sinkt dann bei Belastung etwas mehr ab als die eines
entsprechenden Nebenschlussmotors.
Bei Leerlauf geht er nicht durch. Wird der Doppelschlussmotor
überkompoundiert, so hat er vorwiegend Reihenschlussverhalten, also
ein hohes Anzugsmoment, aber eine instabile Drehzahl.
Bei Unterkompoundierung hat er überwiegend Nebenschlussverhalten,
also hohe Drehzahlstabilität, aber geringeres Anzugsmoment.
Verbundmaschine
Der Doppelschlussmotor wird wegen seines gleichen DrehzahlDrehmoment-Verhaltens zum Antrieb z. B. von Pressen und Stanzen
verwendet.
Fremderregte Maschinen
Hier werden Anker- und Erregerwicklung aus unterschiedlichen
Spannungsquellen gespeist. Während bei der Nebenschlussmaschine die
Erregerspannung gleich der Ankerspannung ist, kann man bei
fremderregten Maschinen durch Verringerung des Erregerstroms
(Feldschwächung) die Drehzahl erhöhen oder durch Verringerung der
Ankerspannung absenken. Drehmomentschwankungen ergeben geringe
Drehzahländerungen.
Bürstenlose Gleichstrom-Maschinen
Nachteil der Gleichstrommaschinen sind Funken, die bei den Bürsten
entstehen („Bürstenfeuer“). Das Bürstenfeuer ist die Hauptursache für
hochfrequente Störungen, die der Motor im Betrieb in das Leitungsnetz
zurückspeist und die andere elektrische Verbraucher stören. Es begrenzt
auch die maximale Drehgeschwindigkeit, da die Bürsten bei hohen
Drehzahlen heiß werden und besonders schnell verschleißen. Weiterhin
bewirken hohe Drehzahlen auch höhere Induktionsspannungen, die bis
hin zum umlaufenden Bürstenfeuer führen können.
Bürstenlose Gleichstrom-Maschinen
Mit der Entwicklung der Elektronik können kleinere permanenterregte
Synchronmotoren so betrieben werden, dass sie von außen ähnlich
beschrieben werden können wie eine Gleichstrommaschine. Diese
Motoren mit Elektronik-Umrichter wurden besonders im englischen
Sprachraum als brushless direct current (BLDC) beworben, auf Deutsch
übersetzt bürstenlose Gleichstrommaschine. Die Maschine wird auch als
EC-Motor (EC für electronically commutated) bezeichnet.
Vom Aufbau her sind diese Motoren ungedämpften permanenterregten
Synchronmaschinen gleich und können in Anwendungen, die eine
genügende Eigendämpfung haben auch als Synchronmaschine
angesteuert werden
Gegenspannung
Der Anker dreht sich im Motor innerhalb des Statorfeldes. Nach dem
Generatorprinzip wird so in dessen Spulen auch bei Motorbetrieb eine
Spannung induziert. Diese induzierte Spannung ist wie die
Betriebsspannung gepolt und wirkt daher dem Rotorstrom entgegen.
Sie wird Gegenspannung oder Gegen-EMK genannt. Sie ist ein
wichtiger Parameter von Motoren, mit ihrer Hilfe lässt sich in etwa die
Leerlaufdrehzahl permanenterregter Motoren bestimmen.
Die Gegen-EMK ist streng linear abhängig von der Drehzahl des
Ankers und der Stärke der Erregung. Die Gegen-EMK kann von
Regelschaltungen genutzt werden, um die Drehzahl permanenterregter
Motoren exakt zu stabilisieren; dies wird z. B. bei KassettenTonbandgeräten angewendet.
Gegenspannung
Die Gegen-EMK macht bei Umkehr der Stromrichtung
(Klemmenspannung < EMK) aus dem Motor einen Generator, sie
kann zur Bremsung und zur Energierückspeisung (Nutzbremsung)
dienen.
Bei Motorstillstand gibt es keine Gegenspannung. Deshalb haben
fremd- und permanenterregte Gleichstrommotoren einen hohen
Einschaltstrom – der Widerstand der Rotorspulen ist vergleichsweise
klein und somit der Strom im Moment des Einschaltens sehr groß.
Ohne Begrenzung des Anlaufstromes werden große Motoren oder das
speisende Netz eventuell überlastet, man verwendet daher in Reihe
zum Anker Anlasswiderstände, die nach dem Hochlaufen stufenweise
kurzgeschlossen werden.