Elektromotor

Pv mit Q,
3.2 Elektrische Maschinen
3.2.2 Elektromotoren
P1 mit U,I
P2 mit M,n
oder
Elektromotoren sind Energiewandler
E- Motor
U,I,f,cos oder
3U, 3I, f, cos
Je nach angewendeter Stromart werden Gleich-, Wechsel- und Drehstrommotoren eingesetzt.
Physikalische Grundlage:
Kraftwirkung auf die bewegte elektrische Ladung
N
Elektronenfluss
-richtung im
Leiter
Kraftflussdichte B
des Feldes
Feldlinien
verstärken
sich
F: Kraft auf den Leiter
Feldlinien
schwächen
sich
Magnetfeld des
stromdurchflossenen
Leiters
I
S
F  B I l
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Feld-, Strom- und
F: Kraft in N
Kraftrichtung sind
B: Kraftflussdichte in Vsm-2 senkrecht
I: Stromstärke in A
zueinander
l: wirksame Leiterlänge in m
F
B
1
Klemmenkasten
Aufbau des Gleichstrommotors
Ständer und Ständerfeld
Kühlrippen
Ständer aus Eisen
Wicklungsköpfe
N
Polschuhe
neutrale Zone
Ständerwicklung
S
Ständer oder Stator eines Gleichstrommotors, die
Polschuhe und Wicklungen liegen im Vergleich zum
Schema um 90° verdreht im Gehäuse.
Ständerwicklung wird mit Gleichstrom gespeist
Eigenschaften von Feldlinien:
Ständermagnetfeld entsteht
•treten senkrecht aus Oberflächen aus und ein,
Nord- und Südpol bilden sich aus
•verlaufen, wenn möglich, parallel zueinander,
Senkrecht zur Feldrichtung liegt die neutrale Zone
•bilden im Ständer einen geschlossenen Kreis.
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Entstehung des Drehmoments in einer Leiterschleife
Leiterschleife ist drehbar gelagert und liegt in
der neutralen Zone
Leiterschleife wird mit Gleichstrom gespeist
N
Leiterschleife bildet ein eigenes Magnetfeld mit
Nord- und Südpol aus
N
S
N
neutrale Zone
S
S
Erklärung des Drehmoments: gleiche Pole stossen sich ab
Leiterschleife dreht sich entgegen dem Uhrzeiger
Feldlinien auf den gleichen Seiten der Leiterschleife
verstärken bzw. schwächen sich.
Das Drehmoment hält an, die Leiterschleife dreht sich weiter.
Die Leiterschleife hat ihre Mittellage erreicht. Das Drehmoment besteht weiter. Die Feldlinien schwächen
und verstärken sich auf beiden Seiten der Leiterschleife in gleichem Maße
Die Leiterschleife dreht sich weiter, bis sich Nord- und Südpol von Ständer und Leiterschleife
gegenüberstehen. Dann entsteht kein Drehmoment mehr.
Die technische Zielstellung besteht darin, die Drehbewegung bei Erhaltung des Drehmoments
kontinuierlich fortzusetzen.
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Der Läufer (Rotor)
Eine vollständig rotierende Leiterschleife nennt man Läufer oder Rotor.
Beim wirklichen Motor besteht der Läufer aus mehreren Läuferwicklungen, die auf
einen Eisenkern gewickelt sind.
Kugellager
Kollektor mit Lammellen
Läuferwelle
Fixierung der Wicklungsköpfe und
Befestigungen an den Lammellen
(Garnumwicklung)
Läuferwicklungen
(Wicklungsköpfe)
Blechpaket mit Nuten
für die Wicklungen
Die Läuferwicklungen werden über die Lammellen des Kollektors und über Kohlebürsten mit dem
Läuferstrom gespeist.
Bei der Rotation des Läufers werden seine Wicklungen ständig so mit Strom gespeist, dass das
Magnetfeld des Läufers stets quer zum Magnetfeld des Ständers liegt.
Bei dieser Anordnung erzeugt der Motor das größte Drehmoment.
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Aufbau der Läuferwicklung
Oberseite der Wicklung
Trommelankerwicklung mit 6 Spulen
Unterseite der Wicklung
Aufbau der Läuferwicklung im abgewickelter Darstellung
6
2
1
4
3
6
5
Fluss des Läuferstroms über die
Lammellen 1 und 4, Entstehung der Pole
Fluss des Läuferstroms über die Lammellen
2 und 5, Verschiebung der Pole nach rechts
N
N
N
S
S
S
Fluss des Läuferstroms über die Lammellen
3 und 6, Verschiebung der Pole nach rechts
Der Läufer hat eine halbe Umdrehung
gemacht.
1
2
Zufuhr des
Läuferstroms
über
Kohlebürsten
+
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3
4
5
UL _ UL _ UL _
+
+
6
Kollektorlammellen in
abgewickelter Darstellung
Mit der Drehung des Läufers verdreht sich
auch das Läuferfeld.
In Beziehung zum Ständer ändert es seine
Lage jedoch nicht!
5
Wirkungsweise der Maschine – Zusammenwirken von Ständer- und Läuferfeld
Ständer mit Feld
Läufer mit Feld
N
N
S
neutrale Zone
S
Beim Betrieb der Maschine stehen
beide Magnetfelder in Wechselwirkung
miteinander. Sie bilden ein Gesamtfeld
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Mit der vorangegangenen Darstellung wurde gezeigt,
dass die Läuferwicklung so ausgeführt ist, dass auf
der einen Seite des Läufers ein Nordpol und auf der
anderen Seite ein Südpol entsteht.
Die Läuferwicklung führt in der neutralen Zone
keinen Strom weil die Kohlebürsten beim
Übergang von einer Kollektorlammelle zur
nächsten jeweils die benachbarten Lamellen kurz
schließen.
6
Das resultierende Magnetfeld
Das Ständer und das Läufermagnetfeld mussen senkrecht
zueinander stehen. Deshalb wird das Läuferfeld auch
Ankerquerfeld genannt.
N
Beide Magnetfelder können nicht unabhängig
voneinander existieren. Sie bilden das resultierende
Feld.
Das resultierende Feld durchsetzt den Läufer nicht mehr
senkrecht, sondern schräg. Es verschiebt die Pole des
Ständers und Läufers.
N
Damit verschiebt sich die neutrale Zone.
S
S
Je mehr der Motor belastet wird, desto größer wird
der Läuferstrom. Dadurch verschiebt sich mit der
Belastung die neutrale Zone. Zur Kompensation
können in den Ständer Wicklungen eingebaut
werden, die eine gegenteilige Wirkung haben, die
Wendepole.
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Die Folge ist, dass auch die Kohlebürsten zur Zuleitung
des Läuferstromes in die neutrale Zone gedreht
werden müssen.
Bürstenbrücke
Kohlebürsten mit
Andruckfeder
Bürstenhalter
Kollektorlammellen
7
Betriebsarten von Gleichstrommotoren
Je nach Schaltung von Ständer- und Läuferwicklung können die Maschinen als Reihen- oder
Nebenschlussmotoren betrieben werden. Dadurch unterscheiden sie sich in ihrem
Betriebsverhalten erheblich.
Reihenschlussmotor
Nebenschlussmotor
Ständerwicklung
U
IS= IL
U0
M
Läuferwicklung
mit Kollektor und
Kohlebürsten
U
IS M
IL U0
Wenn der Läufer im Magnetfeld des Ständers rotiert, dann entsteht in der Läuferwicklung eine
Induktionsspannung U0. Die Induktionsspannung muss ihrer Ursache, also der Betriebsspannung U,
entgegengerichtet sein. Sie wirkt wie ein Widerstand und begrenzt den Läuferstrom IL.
U U0
I
RL
I  IS  IL  IS 
U U0
RL
Je größer die Belastung M des Motors, desto geringer die Drehzahl n, desto kleiner die
Induktionsspannung U0, desto größer der Läuferstrom IL.
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U: Betriebsspannung; I: Gesamtstrom; IL:Läuferstrom; IS: Ständerstrom;
U0: Induzierte Läuferspannung; RL: Ohmscher Widerstand des Läufers
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Betriebsverhalten:
n
n
I
M
M
I
n  f (M )
I  f (M )
M
M
Bei Betrieb von Elektromotoren ist die Betriebsspannung U konstant. Die Belastung des Motors
entsteht durch das abgegebene Drehmoment M. Je nach Schaltungsart verhält sich die Drehzahl n des
Motors verschieden.
Mit wachsendem Drehmoment M nimmt die Drehzahl n ab und die induzierte Gegenspannung U0 wird
kleiner. Folglich muss die Gesamtstromstärke I des Motors steigen.
Der Reihenschlussmotor entwickelt bei
niedrigen Drehzahlen sein größtes
Drehmoment.
Bei geringer Belastung kann seine
Drehzahl bis zur Selbstzerstörung
ansteigen. Er geht durch.
Anwendung findet er als Antriebsmotor in
Fahrzeugen und Elektrowerkzeugen.
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Der Nebenschlussmotor zeigt eine von der
Belastung nahezu unabhängige Drehzahl.
Der Motor kann dann durchgehen, wenn die
Erregerwicklung unterbrochen wird.
Anwendung findet der Motor dort, wo konstante
Drehzahlen wichtig sind, bei Förder- und
Hebezeugen.
9
Anwendung des Reihenschlussmotors bei Wechselstrom – der Universalmotor
Bei Betrieb mit Wechselstrom ändert sich die Richtung der
Magnetfelder in Ständer und Läufer zeitgleich. Dadurch ändert sich
die Richtung des erzeugten Drehmomentes nicht.
M
Die Auslegung für Wechselstrombetrieb erfordert einen
geblechten Eisenkern des Ständers. Dadurch werden wie beim
Transformator die Wirbelströme gering gehalten.
Der Eisenkern des Läufers ist zur Unterdrückung der
Wirbelstromverluste in jedem Fall geblecht ausgeführt.
Der Universalmotor hat bei Wechselstrombetrieb eine etwas
geringere Leistung als bei Gleichstrombetrieb und auch einen
kleineren Wirkungsgrad. Ursache sind die vom Transformator
bereits bekannten induktiven Blindwiderstände, die die
aufgenommene Stromstärke verringern und die Eisenverluste
im Ständerblechpaket.
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Gleichstromgeneratoren
Gleichstrommotoren können auch als Generatoren verwendet werden. Dabei Ändert sich die
Energieflussrichtung.
Pv mit Q,
P2 mit M,n
P1 mit U,I
E- Motor
Pv mit Q,
P2 mit U,I
P1 mit M,n
Generator
Gedankenexperiment:
Eine mit einem Gleichstrommotor angetriebene Straßenbahn durchfährt eine Ebene. Der Motor wird mit
der Betriebsspannung U und der Betriebsstromstärke IB aus dem Fahrleitungsnetz versorgt.
Die aufgenommene Stromstärke I wir durch die im Läufer induzierte Gegenspannung U0 begrenzt.
Die Bahn beginnt eine Talfahrt, wobei sie einen Hang hinabrollt und ihre Geschwindigkeit erhöht.
Die Motordrehzahl n die Gegenspannung U0 steigen, bis U0 den Betrag der Betriebsspannung U erreicht
hat.
Die Bahn rollt ohne Stromaufnahme den Hang hinab.
Der Hang wird steiler, die Geschwindigkeit erhöht sich, mit ihre die Motordrehzahl.
Die Folge ist, dass die induzierte Gegenspannung U0 größer wird als die Betriebsspannung U. Der
Motor ist zum Generator geworden und speist jetzt Strom in das Fahrleitungsnetz ein.
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