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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.
