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HOCHSTÖGER Harald <[email protected]>
Elektrische
Kleinstmotoren
Nessl Gerald
3ANL
Inhaltsverzeichnis
Einführung: .........................................................................................Seite 3
Kleinstmotor und Triebwerk......................................................Seite 3
Anpassung an die Energiequelle................................................Seite 4
Das Drehmoment.......................................................................Seite 4
Die Drehzahl..............................................................................Seite 4
Der Wirkungsgrad......................................................................Seite 5
Die Wartung...............................................................................Seite 5
Der Motorenaufbau....................................................................Seite 5
Die mechanischen Schwingungen..............................................Seite 5
Die Störfelder.............................................................................Seite 5
Funktionsprinzip von Kleinstmotoren...............................................Seite 6
Hystereseläufer.....................................................................................Seite 7
Einphasensynchronmotor....................................................................Seite 7
Spaltpolmotor.......................................................................................Seite 9
Funktionsweise des Spaltpolmotors...........................................Seite 9
Wechselstrommotor ohne Hilfsphase.................................................Seite 10
Wechselstrommotor mit Hilfsphase...................................................Seite 11
Kondensatormotor......................................................................Seite 11
Motor mit Phasenschieberwiderstand.........................................Seite 12
Motor mit Drosselspule...............................................................Seite 12
Bürstenlose Gleichstrommotoren........................................................Seite 13
Anhang...................................................................................................Seite 13
Informationsquelle + Autoren.....................................................Seite 13
Den kleinste Motor der Welt.......................................................Seite 13
Einführung:
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Mit Kleinstmotor bezeichnet man Motoren deren Leistung bis zu 600 W erreicht. Elektrische
Kleinstmotoren werden als Antriebselement in vielen Geräten für den Konsumbedarf und den
gewerblichen Sektor eingesetzt. Auch als Fertigungsmittelantriebe finden sie in der Industrie
Verwendung. In diesem Leistungsbereich findet man eine beachtliche Zahl verschiedenartiger
Motoren, die auf die Anforderungen der anzutreibenden Geräte speziell ausgerichtet. sind.
Die Entwicklung und der Bau spezieller Kleinstmotoren für unterschiedliche
Antriebsaufgaben ist in den meisten Fällen nur dann wirtschaftlich vertretbar, wenn jeder
dieser speziellen Motoren in großen Stückzahlen verkauft werden kann.
Kleinstmotor und Triebwerk
Der Kleinstmotor ist als Wandler konzipiert, der über die Klemmen zugeführte elektrische
Energie in mechanische Energie umsetzt und diese über die Welle an das Triebwerk
weitergibt. Da der Wirkungsgrad für diesen Prozeß bei Kleinstmotoren meist weit unterhalb
100% liegt, gibt der Motor neben der Wellenleistung Pm noch dazu Verlustleistungen ab. Die
Verlustleistungen werden in einem späteren Punkt noch einem detaillierter behandelt.
Für den Motor gilt grundsätzlich PElektrisch = PMechanisch + PWärme + PSchall + PFrequenz
Bild der Energieströme Bild 1.3 Seite 18
Kleinstmotorenbuch
Die mechanisch vom Motor abgegebene Leistung Pm läßt sich aus Motordrehzahl nm und dem
Drehmoment Mm errechnen:
Pm = 2π x nm x Mm = ωm x Mm
wobei die Größe ωm als Winkelgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Jedes Triebwerk hat einen von der Winkelgeschwindigkeit ωt abhängigen
Drehmomentenbedarf Mt. Man sieht in dem Bild unterhalb die Mt Kennlinie eines Lüfters
strichpunktiert dargestellt. Der Drehmomentbedarf Mt steigt hier mit dem Quadrat der
Winkelgeschwindigkeit ωt an. Auch der Motor gibt bei jeder Winkelgeschwindigkeit ωm ein
charakteristisches Moment Mm ab. In dem 2. Bild sieht man das Zusammenspiel eines
Kleinstmotors mit einem Lüfter höheren Momentenbedarfs.. Hierbei ergeben sich die
Schnittpunkte B, C, und D zwischen Motor- und Lüfterkennlinie. Es kann sich hier nach dem
Einschalten nur der stationäre Betriebspunkt B einstellen. Erhöht man aber die Spannung um
das Drehmoment zu steigern, dann wird der Antrieb zu einer größeren Drehzahl hochlaufen
wo er momentan wieder einem stabilen Arbeitspunkt erreicht und diesen auch halten kann,
wenn man die Betriebsspannung wieder absenkt. Dieser Antrieb arbeitet aber unbefriedigend,
da zwei Zustände möglich sind.
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Der Betriebspunkt C wird sich nicht einstellen. Das heißt, der ganze Zustand ist labil. Da bei
einer minimalen Abweichung von der Drehzahl in Punkt C entweder sofort ein Hochlaufen
nach D oder ein Absinken der Drehzahl nach Punkt B erfolgt.
In diesem Beispiel wurde soeben verdeutlicht, daß Kleinstmotoren und Antrieben
miteinander kombiniert entworfen und eingesetzt werden müssen. Jeder Kleinstmotor ist nur
mit einem eigens bestimmten Antrieb kompatibel.
In der Waschmaschine ist eine anderer Motor als im Geschirrspüler. Jeder Motor hat andere
Anforderungen.
Im Bereich der Kleinstmotoren fällt es schwer einfach einen Universalmotor nehmen und
anzuschließen. Solche Aktionen funktionieren in höherleistigeren Systemen.
Bild auf Seite 19 1.4 Bild auf Seite 20 1.5
Die Anforderungen an einen Kleinstmotor sind:
a. Die Anpassung an die Energiequelle.
Es stehen zu Verfügung das Wechselstromnetz, das Gleichstromnetz bei Fahrzeugen und
netzunabhängigm Betrieb.
Kleinstmotoren müssen so ausgelegt sein, daß sie bei –15% bis +6% ausreichend arbeiten.
b. Das Drehmoment
Der Kleinstmotor muß nicht nur bei stationären Betrieb das notwendige Drehmoment
aufbringen können, sondern er muß auch beim Anlaufvorgang den notwendigen
Überschuß gegenüber dem Momentbedarf des Triebwerks zur Verfügung stellen, um
einen schnellen Hochlauf zu leisten. Die Reibung von Triebwerken nimmt bei fallenden
Temperaturen wegen der höheren Zähigkeit des Schmiermittels stark zu. Diesem Zustand
muß bei der Festlegung des Anlaufdrehmoments Rechnung getragen werden.
c. Drehzahl
Bei Drehzahlmotoren ist die Drehzahl nm an die Frequenz f der Wechselspannung und an
die Polpaarzahl des Motors gebunden. Für die Synchrondrehzahl ns gilt:
ns=f/p
Im allgemeinem gilt! keine Drehzahlen über 3000 U/min, es sei den die
Drehzahlen werden mit einer eigenen Frequenzspeisung erzeugt.
Demnach sind nur ganz bestimmte Synchronzahlen erreichbar. Bei Motoren im oberen Leistungsbereich
bevorzugt man p = 1, und bei geringe Leistungen werden hohe Polpaarzahlen bevorzugt. 16 / 24 polige
Motoren.
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Kommutator-Motoren sind für jede Drehzahl baubar. Forderungen nach hoher Drehzahl
und hoher Leistung wird man hier gerecht, wenn man mechanische oder elektronische
Regeleinrichtungen einsetzt.
d. Der Wirkungsgrad:
.
Ein hoher Wirkungsgrad wird bei Wechselstrom-Kleinstmotoren allgemein wegen der
niedrigen Kosten der Energie aus Netz nicht gefordert.
Grundsätzlich andere Bedingungen liegen beim Gleichstrommotor vor, der von Batterien
wird. Wegen der hohen Kosten der Batterieenergie werden von solchen Motoren .
hohe Wirkungsgrade erwartet.
.
gespeist
Im Allgemeinem gilt! η=Pab/Pzu
Das heißt, es kommen noch hinzu
Die Ständer-Eisenverluste (PFe),
Die Ständer-Kupferverluste (PCu)
Die Rotor-Eisenverluste (PFe)
Die Rotor-Kupferverluste (PCu)
Weiters gibt der Motor Energie in Form von Schall, mechanischen Schwingungen, . . . Wechselfelder
sowohl magnetischer als auch elektrischer Art ab.
Diese ganzen Verluste führen schließlich zur Erwärmung des Motors. Um diese Wärme
.
abzuführen ist es zweckmäßig einen Kühleinrichtung installiert zu haben.
e. Wartung
Kleinstmotoren können im Allgemeinem ohne Wartung betrieben werden. Bei
Drehfeldmotoren wird die Lebenserwartung durch die Lager bestimmt.
Bürsten und Kommutator sind die Lebenserwartung bestimmenden Elemente bei
Kommutator-Motoren.
f. Motoraufbau
Der Motor sollte so aufgebaut sein, daß seine Abmessungen möglichst klein sind und sein
Gewicht möglichst gering ist. Die verwendeten Materialien müssen den
Temperaturbelastungen ausreichend widerstehen. Klimatische Einflüsse, insbesondere die
Luftfeuchtigkeit, dürfen zu keiner so weitgehenden Korrosion führen, daß
die Gebrauchstüchtigkeit des Motors beeinträchtigt wird.
g. Mechanische Schwingungen
Bei einer Vielzahl von Antrieben wird ein geringer Geräuschpegel gefordert. Hier muß man nicht unbedingt
einen aufwendigen, schwingungsarmen Kleinstmotor vorsehen. Oft
ist es zweckmäßiger, ein
preisgünstigeren Motor einzusetzen und dessen störende, mechanische Schwingung vom Triebwerk zu
isolieren.
h. Störfelder
Die Auswirkung elektromagnetischer Wechselfelder, die vom Motor ausgehend
empfindliche Aufnahme und Verstärkereinrichtung des Triebwerks beeinflussen, können
dadurch reduziert werden, daß man
 den Motor so weit wie möglich von der Aufnahmeeinrichtung entfernt anordnet,
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 den Motor so lange dreht, bis er nur mit dem räumlichen Minimum seines Störfeldes
auf die Aufnahmeeinrichtung wirkt,
 zwischen Motor und Aufnahmeeinrichtung eine geeignete –Abschirmung vorsieht.
 Störungen, die den Motor über die Speiseleitungen verlassen, müssen gegebenenfalls
mit Hilfe elektrischer Filter abgeblockt werden.
Funktionsprinzip von Kleinstmotoren
Die unterschiedlichen Anforderungen an Kleinstmotoren können nur mit unterschiedlichen
Motorausführungen erfüllt werden.
Während Wechselstrommotoren sich als Drehfeld-Motoren ohne Kontakteinrichtungen bauen
lassen, kann man bei Gleichstrom-Motoren auf einen Kommutierungseinrichtung nicht
verzichten. Durch Verändern der beiden Grundprizipien Drehfeld-Motor und KommutatorMotor ergibt sich bei der Anpassung an die spezielle Anforderungen des Treibwerks ein
breites Spektrum unterschiedlicher Kleinstmotoren.
Das Drehmoment kann zwar grundsätzlich in allen Fällen von der Struktur des magnetischen
Feldes im Luftspalt ermittelt werden. jedoch ist es ein einfacher wenn man unterscheidet
1. Bei Drehfeld-Motoren geht man davon aus daß das räumlich sich drehende Magnetfeld
den Läufer sozusagen mitnimmt.
2. Bei Kommutator-Motoren betrachtet man die Kraftwirkungen, die zwischen
Leiterschleifen und Magnetfeld auftreten.
Bild von Seite 26
Im vorherigen Bild sind in einer Übersicht die Funktionsprinzipien der wichtigsten
Kleinmotoren zusammengestellt. Bei Drehfeldmotoren sind 5 Schaltungsmöglichkeiten, die
dem Aufbau eines mehr oder minder vollkommenen Drehfeldes dienen, aufgezeigt.
→Drehstrommotor mit dreisträngiger Wicklung in Sternschaltung.
→Einphasenmotor mit dreisträngiger Wicklung in Dreieckschaltung und PhasenschieberKondensator (Steinmetzschaltung).
→Einphasenmotor mit zweisträngiger
Kondensator-Hilfsphase.
Wicklung,
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bestehend
aus
Hauptphase
und
→Einphasenmotor mit
Widerstands-Hilfsphase.
zweisträngiger
Wicklung,
bestehend
aus
Hauptphase
und
→Spaltpolmotor.
Da die normalen Ausführungen von A-Synchron und Synchronmotor ja weitgehend bekannt
sind, wird hier nun auf Sonderformen dieser Motoren eingegangen.
Hystereseläufer
(Synchronmotor mit Hystereseläufer)
Der große Vorteil von Hysteresemotoren ist, daß sie von selbst anlaufen, und ein Synchronmoment besitzen.
Dies wird durch zwei voneinander verschiedene Mechanismen erreicht.
Im Anlaufzustand ist das Drehfeld in der Lage, das Material des Rotors umzumagnetisieren.
Das heißt, des Rotors magnetische Achse rotiert synchron mit dem magnetisiertem Feld.
Dabei wird dem Läufer ein Drehmoment mitgeteilt, das den Hochlauf bis zum Synchronismus
bewirkt.
Dieses Moment ist unabhängig von der Drehfeldgschwindigkeit stets gleich, weil das Moment
der Energieänderung dem Drehwinkel entspricht, und dieser ist unabhängig von der
Drehfeldgschwindigkeit.
Das konstante Moment verleiht dem Rotor eine konstante Drehbeschleunigung, die ihn mit
linear steigender Drehgeschwindigkeit hochlaufen läßt.
Beim Erreichen der Synchrongeschwindigkeit erlischt das Anlaufdrehmoment. Weil der
Motor jedoch partiell aufmagnetisiert ist, folgt er nun dem Drehfeld wie ein normaler
Synchronmotor. Er hat zwar nur mehr einen Belastungswinkel β von 20°, aber das macht
nichts. Er kann nicht kippen. Sobald er mehr nachläuft wirkt wieder das Anlaufdrehmoment.
Einphasensynchronmotor
(Reluktanzmotor = mag. Widerstand)
Diese Motorenform hat gegenüber der normale Synchronmaschine den Vorteil, daß sie mit der genauen
arbeitenden Drehzahlen ausgestattet werden kann. Die Drehzahl n ist nur abhängig von der Frequenz f und der
Netzspannung.
Bild von Seite 159 Elektrotechnikbuch Abb. 1
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Polhörner und Joch bestehen aus Dynamoblechprofile. Das Wechselfeld wird in einer Spule
erzeugt. Der Läufer besteht meist aus Weichmagneteisen, seltener jedoch aus
Permanentmagneten. Polhörner und Läufer sind so gezahnt, daß einem Läuferzahn genau ein
Polhornzahn gegenüber stehen. Wird der Motor eingeschaltet, ziehen die Polhornzähne an.
Ständer und Läufer sind verschieden gepolt. Der Läufer dreht sich aber in diesem Augenblick
noch nicht. Erst wenn der Läufer angeworfen wird, dreht er sich weiter.
Eine 2. Möglichkeit den Läufer zum Rotieren zu bringen, besteht darin, unregelmäßige
Luftspalten oder unregelmäßige magnetische Widerstände einzubauen. Dann ziehen bei
positiven Stromfluß in der Spule die Zähne des Polhornes als Nordpole die Zähne des Läufers
an. Während des Stromnulldurchganges (kein Magnetfeld) bewegt sich der Läufer aufgrund
seines Schwungmomentes weiter.
Bei umgekehrten Stromfluß ist das Polhorn ein Südpol. Nun werden die nächstfolgenden
Läuferzähne angezogen. Dieser Vorgang wiederholt sich mit der Frequenz f der anliegenden
Wechselspannung. Der Läufer dreht sich mit der Drehzahl n = (2xf)/z, wobei z die Anzahl der
Läuferzähne ist.
Synchrone Kleinstmotoren benetzt man z.B. als Antrieb für Uhren.
Bild von Seite 159 Elektrotechnikbuch Abb. 2
Der Spaltpolmotor
Spaltpolmotoren werden für Leistungen von Bruchteilen eines Watts bis zu ca. 100 W. Der konstruktive Aufbau
von Spaltpolmotoren ist einfach, die niedrigen Fertigungskosten ergeben einen günstigen Preis, so das der
Spaltpolmotor in vielen Anwendungsgebieten verwendet wird. Zu beachten sind jedoch seine Nachteile im
Vergleich zu anderen Motoren, der schlechte Wirkungsgrad und die oftmals ungünstige Drehmoment-DrehzahlKennlinie.
Aufbau des Spaltpolmotors.
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Bild Seite 146 Elektrotechnikbuch Abb. 1
Sein Ständer besteht aus einem Dynamoblechpaket mit ausgeprägten Polen und einer
Wechselstromerregerwicklung Die Pole haben einen Spalt . Daher der Name. In diesem liegt ein Teil des
Kurzschlußringes aus Kupfer oder Aluminium, der einen Teil des Poles umschließt. Der Läufer besteht aus
einem Kurzschlußkäfig mit verschränkten Stäben, aus der Welle und dem Blechpaket.
Der Kurzschlußring ist nun als eine Art eigene Wicklung zu betrachten die um den Winkel β räumlich versetzt
zur Hauptwicklung angeordnet ist.
Funktionsweise des Spaltpolmotors
Bild Seite 146 Abb2 Elektrotechnikbuch
Beim Anschluß einer Wechselspannung u1 wird in dem Kurzschlußring eine Spannung u2 induziert, die dem
Hauptfeld und damit dem Strom i1 um 90° nacheilt. Es fließt ein Strom i2, der der Spannung u2 wegen des
induktiven Blindwiderstandes des Kurzschlußringes nacheilt. Der Spaltpolmotor hat zwei räumlich versetzt
angeordnete Spulen, die von Strömen durchflossen werden, zwischen denen einen Phasenverschiebung besteht.
Ihre Magnetfelder überlagern sich zu einem elliptischen Drehfeld. Es dreht sich vom Hauptpol in Richtung zum
Spaltpol. Das Anlaufdrehmoment beträgt ca. 50% Nennmoments. Der Läufer hat die gleiche Drehrichtung, da es
sich hier um eine Asynchronmaschine handelt. Durch Umschalten der Spannungsanschlüsse kann man die
Drehrichtung natürlich nicht umstellen.
Maschinen dieser Art zeigen das typische Betriebsverhalten der Asynchronmaschinen. Aufgrund der
Ständerform entstehen große Streufelder. Die Verluste im Kurzschlußring sind relativ hoch. Diese Maschinen
haben daher einen schlechten Wirkungsgrad, einen kleinen Leistungsfaktor cos ϕ und ein niedrigeres
Anzugsmoment.
Bild 4.3 Seite 84 im Kleinstmotorenbuch
Seite 9 von 9
Das Bild auf der vorgehenden Seite zeigt den Vergleich der asynchronen Drehmomente und der Amplituden der
Pendelmomente doppelter Netzfrequenz in Abhängigkeit von der Drehzahl zwischen einem Kondensatormotor
und einem Spaltpolmotor etwa gleicher Leistung.
Wechselstrommotor ohne Hilfsphase
Der Wechselstrommotor ohne Hilfsphase hat nur einen Wechselstromwicklung. Wird er an einen
Wechselspannung angeschlossen, so entsteht ein Wechselfeld. Dieses kann in zwei gegensinnig drehende
Drehmomente zerlegt werden. Dadurch werden entgegengerichtete Drehmomente auf den Läufer ausgeübt. Man
erhält zwei Hochlaufkennlinien. Bei Läuferstillstand heben sich die Drehmomente auf. Sie sind gleich groß und
entgegengerichtet.
Wird der Läufer in eine beliebige Drehrichtung angeworfen, dann überwiegt eines der beiden Drehmomente. Der
Läufer dreht sich dadurch weiter.
Bild auf Seite 142 Abb. 2
Wechselstrommotor mit Hilfsphase
Wechselstrommotoren mit Hilfsphase unterscheiden sich von leistungsgleichen Drehstrom-Käfigläufermotoren
nur durch die andre Art der Ständerwicklung. Diese besteht bei Wechselstrommotoren mit Hilfsphase aus der
Hauptwicklung und der um 90° versetzt angeordneten zweiten Wicklung, der Hilfswicklung. Solche Motoren
unterscheidet man nach der Erzeugung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Spulenströmen.
Einer davon ist der
Kondensatormotor
Bei diesem Motor wird die Phasenverschiebung zwischen den Spulenströmen dadurch erreicht, daß in Reihe mit
der Hilfswicklung ein Kondensator CH geschaltet wird. Das Betriebsverhalten hängt von seiner Kapazität ab. Je
größer diese ist , desto größer ist auch das Anlaufdrehmoment. Aber bei sehr großer Kapazität wird aber der
Strom in dieser Wicklung sehr groß, der dann zu einer unzulässigen Erwärmung der Hilfswicklung führt und
diese dann zerstören würde. Um jedoch beim Hochlauf trotzdem ein gutes Anzugsdrehmoment zu erhalten., wird
währenddessen ein zweiter Kondensator zugeschaltet, der dann im Betrieb anschließend wieder von der
Maschine weggeschalten wird.
Da diese Schaltungsart einen Serienschwingkreis darstellt, ist darauf zu achten, daß der Kondensator einen
wesentlich höher Spannung verträgt als die angelegte Wechselspannung liefert.
Bild auf Seite 144 Abb. 1 Elektrotechnikbuch
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Bild im Kleinstmotorenbuch auf Seite 58 2.27
2.28
Motor mit Phasenschieberwiderstand
Zusätzlich zum Hauptstrang Ha ist, um räumlich 90° versetzt, ein Hilfsstrang Hi angeordnet, der entsprechend
seinem hohen Wert R hohe Verluste aufweist, so daß er nach dem Hochlauf über Relais etc. abgeschaltet werden
muß. Die Maschine läuft einsträngig weiter. Der entsprechende Drehmoment-Drehzahlverlauf ist im Bild
darunter dargestellt. Wie das Zeigerbild der Spannung und der Strangströme laut dem Bild zeigt, ist der Winkel
β zwischen den felderregenden Strömen stets kleiner als 90°, so daß nur ein elliptisches Drehfeld entstehen kann.
Das Anzugsdrehmoment beträgt bei technisch ausgeführten Maschinen 1 bis 1,5 Mn Das
Pendelmomentverhalten entspricht dem des Anwurfsmotor
Bild auf Seite 56 Abb. 2.24
Seite 57 2.25 Kleinstmotorenbuch
Seite 57 Abb. 2.26
Motor mit Drosselspule
Einen Phasenverschiebung zwischen dem Strom in der Haupt – und in der Hilfswicklung kann man auch
dadurch erreichen, daß in Reihe mit der Hilfswicklung eine Drosselwicklung geschaltet wird.
Die Drosselspule wird während des Betriebes abgeschaltet, damit der Leistungsfaktor
cos ϕ höher Werte annimmt. Das Anlaufverhalten ist nicht so günstig wie bei den vorher behandelten
Maschinen.
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Bürstenlos Gleichstrommotoren
Der konventionelle Gleichstommotor ist durch sein mechanische Kommutierungseinrichtung, die aus
umlaufenden Kommutator und feststehenden Bürsten besteht, gekennzeichnet. Diese Kommutierungseinrichtung
bringt folgenden Nachteil mit sich.
 begrenzte Lebensdauer (um 10³ h)
 Kontaktunsicherheit (besonders im Bereich kleiner Spannungen)
 elektrische Störungen und
 zusätzliche Geräusche
Bürstenlose Gleichstrommotoren vereinen in sich die positiven Eigenschaften von Gleichstrommotoren und
Drehfeldmotoren..
Im Grunde handelt es sich bei solchen Motoren um Motoren mit einem Permanentmagnet, die außenanliegenden
Gleichspannung wird wechselgerichtet. Heutzutage geschieht das über elektronische Schaltungen, z. B.
Wechselrichter etc. Die Feststellung der Lage des Rotors kann mit Hallsensoren realisiert werden. Diese
Information werden dann zur Schaltung gebracht, wo dann die entsprechenden Ansteuerungen der Transistoren
und Endstufen erfolgt. Die Auswahl der elektronischen Schaltungen ist sehr groß. Aber es herrscht immer das
Prinzip der Wechselrichtung der Gleichspannung. Da es jedoch ein sehr umfassendes Kapitel darstellt, wird es
hier nicht mehr weiter behandelt.
Anhang
Informationen zu diesem Thema wurden aus folgenden Büchern entnommen:
Internet
Quelle
Elektrische Maschinen
Elektrische Maschinen und Umformer
Elektrische Kleinstmotoren und ihr Einsatz
Elektrotechnik Fachstufe Energietechnik
Tabellenbuch Elektronik
Autor
Autor
Autor
Herausgeber
Herausgeber
National Laboratoris
Albuquerque USA
Hronicek / Peck / Reif
F. Moeller / P. Vaske
H. Moczala u. a.
W. Müller
Dipl, -Ing. K. Beuth
Dipl.-Ing. E. Huber
Zum Abschluß noch einen kleine Information zur Technik über Entwicklung und Herstellung über den
wahrscheinlich kleinsten Motor der Welt.
Der Kleinste Motor der Welt
Man stelle sich vor. Riesige Zahnräder greifen ineinander, sie werden von einer immens großen Kurbelwelle
angetrieben. Das Antriebsaggregat bringt es so auf immerhin 2000000 U/min.
Aber so groß ist das gar nicht. Dieser Motor hat nicht einmal die Größe eines Reiskorns, das Getriebe ist so groß
wie ein Blütenpollen.
Hergestellt wurde dieser Motor in den “National Laboratories” in Albuquerque, im US-Bundesstaat New
Mexico. Diese kleinen Maschinen werden in einem Durchgang hergestellt, es würde sich nicht lohnen, die
Einzelteile getrennt zu produzieren. Man könnte sie zusammensetzen.
Die Herstellung erfolgt in einem Produktionsverfahren. Wie ein Dia wird der Grundriß des Motors auf einem
lichtempfindlichen Film übertragen. Die Projektion erfolgt mit einer Maske. Unter dem lichtempfindlichen Film
liegt eine Schicht aus Siliziumoxid, die sich nach dem Belichten teilweise mit Säure wegätzen läßt. Es bleiben
nur winzige Verbindungen, Zahnräder und Stege zurück.
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Der Motor wird in einem ähnlichen Verfahren hergestellt, wie auch Computerchips hergestellt werden. Ihr
besonderer Vorteil ist, daß man den Arbeitsgang nur einmal durchzuführen braucht, und schon hat man mehrere
hundert der Mini-Kleinstmotoren fertig. Angetrieben wird der Motor durch zwei Siliziumkämmen, zwischen
denen ein Antriebskolben pendelt. Je nach der Aufladung der Kämme wird er durch elektrische Abstoßung in die
eine oder in die andere Richtung bewegt. Dieser Kammantrieb sorgt für ein Vierteldrehung. Ein weiterer
Kammantrieb, der im rechten Winkel zu dem ersten angebracht ist, sorgt für die nächste Vierteldrehung.
Durch geschickte Steuerung beider Antriebe läßt sich das Zahnrad dann so steuern, daß es kontinuierlich rotiert.
(Reluktanzprinzip, Synchroner Kleinstantrieb).
Aber warum der ganze Aufwand?
Diese Motoren sind dazu auserkoren, in der Medizin als Insulinpumpen und als Kalkablagerungsabhobler
eingesetzt zu werden. Man kann sich vorstellen, daß sie in Zukunft dort eingesetzt werden.
Es wurde auch schon darüber nachgedacht sie als winzige Kreiselkompasse in militärischen Bereich
Verwendung einzusetzen. Dank ihrer geringen Größe können sie nämlich sehr hohe Beschleunigungen
aushalten. Mehr als ihre größeren Kollegen.
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