Elektromotoren 1
Stromwender- bzw. Kommutator-Maschine
• Gleichstrommotor
• Universalmotor (für Gleich- und Wechselstrom)
• Repulsionsmotor
- permanent erregter Gleichstrommotor
- elektrisch erregter (fremderregter) Gleichstrommotor
- Reihenschlussmotor
- Nebenschlussmotor
- Verbundmotor
- elektronisch kommutierter Gleichstrommotor
Elektromotoren 2
Drehfeld- und Wanderfeld-Maschinen
•Drehstrommotor
- Drehstrom-Asynchronmaschine
- Drehstrom-Synchronmaschine
- Kaskadenmaschine
•Linearmotor
•Wechselstrommotoren:
- Kondensatormotor
- Spaltpolmotor
- Synchronmotor/Einphasenasynchronmotor
- Reluktanzmotor
- Magnetmotor
•Schrittmotor
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.
Verbundmaschine
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. Der
Doppelschlussmotor wird wegen seines gleichen Drehzahl-DrehmomentVerhaltens 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.
Drehfeld- und Wanderfeld-Maschinen
Eine Drehstrommaschine wandelt mechanische Energie in
Drehstrom oder Drehstrom in mechanische Energie um.
Sie kann als elektrischer Generator oder als Elektromotor betrieben
werden. Als Drehstrommotor wird ein Elektromotor bezeichnet, der mit
Dreiphasenwechselstrom betrieben wird.
Drehstrommotoren
Drehstrommotoren werden mit Dreiphasenwechselstrom bzw.
„Drehstrom“ betrieben. Diese Stromart führt in drei getrennten Leitern
jeweils eine eigene periodisch wechselnde Spannung, deren zeitliche
Abläufe gegenüber den anderen beiden Leiterspannungen um jeweils
120° vor- bzw. nachlaufend versetzt sind.
Drehstrommotoren
Speist man drei Elektromagnet-Spulen mit jeweils einer
Leiterspannungsphase des Drehstromsystems, dann wird in jeder Spule
ein Magnetfeld erzeugt, dessen zeitlicher Ablauf genauso wie der
Spannungsverlauf gegenüber den anderen Spulenfeldern um eine
Drittelperiode versetzt ist.
Ordnet man diese drei Spulen in einem Kreis zueinander an, so ergibt
sich aus den einzelnen Spulenmagnetfeldern ein summiertes Magnetfeld,
das zwar von gleichbleibender Größe ist, seine Richtung jedoch exakt im
Einklang mit der Frequenz bzw. der Periodenwiederholung des
Drehstromes fortlaufend ändert.
Drehstrommotoren
Dieses summierte Magnetfeld „dreht“ sich exakt mit der
Geschwindigkeit, die durch die Frequenz vorgegeben ist. Bei 50
Periodenwechseln pro Sekunde des Drehstroms (bzw. 50 Hz) dreht sich
das Magnetfeld ebenfalls 50 mal in der Sekunde (oder 3000 mal in der
Minute) um sich selbst.
Drehstrommotoren
Bringt man in dieses rotierende Magnetfeld an einer mittig angeordneten
Achse einen magnetischen Gegenstand ein, beispielsweise einen
Stabmagneten oder einen einfachen Eisenkörper, so wird dieser „Rotor“
mitgedreht.
Drehstrommotoren
Drehrichtungsumkehr
Zur Änderung der Drehrichtung muss der Drehsinn des
Ständerdrehfeldes geändert werden, beim Betrieb am Drehstromnetz
genügt hierzu das Vertauschen zweier Außenleiter, z. B. Außenleiter L1
und L3. Eine übliche Schaltungen dazu ist die Wende-Schützschaltung.
In der praktischen Anwendung werden die Motorklemmen U2, V2 und
W2 gebrückt und
• beim rechten Drehfeld: L1 an U1, L2 an V1 und L3 an W1
• beim linken Drehfeld: L1 an W1, L2 an V1 und L3 an U1
Drehstrommotoren
Spulenanordnung des Stators
Die Wirkung der drei Spulen lässt sich vervielfachen, indem sie jeweils
paarig gegenüberliegend und in größerer Zahl über den Umfang des
Statorkörpers verteilt werden. Wird jedes Spulenpaar direkt von dem
Dreiphasenstrom mit der Netzfrequenz f gespeist, so ergibt sich dabei
keine Drehzahlveränderung. Werden jedoch jeweils mehrere Spulenpaare
für jede der drei Stromphasen hintereinandergeschaltet und jeweils
gleichmäßig über den Statorumfang verteilt, so wird dadurch die
Drehzahl n des resultierenden Statormagnetfeldes entsprechend der
f Netz
beteiligten Spulenpaarzahl p verkleinert.
n
p für electronically
Die Maschine wird auch als EC-Motor (EC
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
Drehstrommotoren
Beispiel: Bei einem Motor mit pro Phase vier hintereinandergeschalteten
und über den Stator verteilten Spulenpaaren ist bei einer Stromfrequenz
von 50 Hz die Umdrehungszahl n in gängigen Maßeinheiten:
50 Hz
3000
1
n
 60 
 750
4
4
min
Wechsel- und Drehstrommotoren
Bei Wechselstrom kann auch auf einen Kommutator verzichtet
werden, wenn die Umdrehungszahl im Rhythmus des Wechselstromes
erfolgt; das dann mit umlaufende Magnetfeld des Rotors wird dann:
• durch vom Erregerfeld induzierte Ströme in einer Kurzschlusswicklung (Asynchronmotor)
• durch Magnetisierung eines Eisenkernes mit Polen (Reluktanzmotor,
Schrittmotor)
• durch Dauermagnete (Schrittmotor, elektronisch kommutierter
Gleichstrommotor, Synchronmotor)
• durch einen elektrisch erregten Läufer (siehe Synchronmaschine)
erzeugt.
Wechsel- und Drehstrommotoren
Solche Motoren besitzen daher kein oder ein geringes Anlaufmoment;
sie benötigen eine Anlaufhilfe, können jedoch mit Wechselstrom mit
mehr als nur einer Phase auch selbst starten:
• Drehstrommotoren werden mit Drehstrom betrieben, der aus drei um
120° phasenverschobenen Wechselspannungen besteht und so ein
Drehfeld erzeugt.
• Kondensator- und Spaltpolmotoren erzeugen sich aus einem
einphasigen Wechselstrom selbst eine Hilfsphase (ein Drehfeld) zum
Anlauf.
• Schritt- und Reluktanzmotoren werden mit frequenzveränderlichem
Wechselstrom und/oder mit mehreren Phasen betrieben, damit sie „im
Tritt“ bleiben bzw. keine Schrittverluste auftreten.
• Synchronmotoren benötigen eine Starthilfe oder schaukeln/schwingen
sich von selbst „in Tritt“.
Synchronmaschine
Da der Läufer immer synchron mit dem Statordrehfeld läuft, nennt
man diese Maschinen Drehstrom-Synchronmaschinen.
Die Effizienz des Drehfeldmotors wird durch die Ausstattung des
Rotors mit eigenen Spulen erhöht, in denen durch den Stromfluss
ebenfalls ein magnetisches Feld entsteht, das mit dem Feld der drei
festen (Stator-)Spulen zusammenwirkt. Der Rotor, auch Läufer
genannt, ist ein Polrad (mind. ein Polpaar) oder ein Vollpolläufer, der
eine Erregerwicklung trägt. Wird diese Erregerwicklung von außen
über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist, erzeugt sie ein
Magnetfeld. Bei Maschinen kleiner Leistung (z. B. Fahrraddynamo)
kann die Erregerwicklung durch Permanentmagnete ersetzt werden.
Asynchronmaschine
Bei der Asynchronmaschine bestehen die Spulen im Rotor (Läufer)
aus kurzgeschlossenen Leiterschleifen. Für den Asynchronmotor
findet daher auch die Bezeichnung Kurzschlussläufermotor
Verwendung. Durch das sich ändernde Magnetfeld des Stators wird in
den kurzgeschlossenen Leiterschleifen des Rotors ein Stromfluss und
ein daraus resultierendes Magnetfeld induziert, das dem
verursachenden Magnetfeld entgegen gerichtet ist. Die resultierenden
Kräfte üben ein Drehmoment auf den Rotor aus. Lässt man das
Statorfeld rotieren, 'schleppt' dieses den Rotor aufgrund oben
beschriebener Wirkung mit. Zwangsläufig muss sich der Rotor
geringfügig langsamer drehen als das Statordrehfeld (Schlupf), damit
das dem Induktionsgesetz zugrunde liegende Prinzip, nämlich die
Veränderung des Magnetfeldes pro Zeit, erfüllt bleibt. Bei Gleichlauf
von Rotor und Drehfeld findet keine Induktion mehr statt, das
übertragbare Drehmoment ist Null.
Asynchronmaschine
Anders ausgedrückt: Voraussetzung ist, dass der Rotor geringfügig
langsamer drehen muss als das Statordrehfeld, damit sich das
Magnetfeld innerhalb des mitdrehenden Rotors ständig ändert, was
wiederum die Voraussetzung für die Induktion von elektrischer
Spannung in den Rotorleitern ist. Eine Ausnahme stellt der
Reluktanzmotor dar, dessen Läufer synchrone Drehzahl erreicht.
Durch die Anwendung eines Frequenzumrichters, teilweise schon im
Gehäuse integriert, kann die Drehzahl fast wie bei Universalmotoren
variiert werden