Der Gleichstrommotor Der Gleichstrommotor und
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Der Gleichstrommotor und Wechselstrommotor Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD Günter EIBENSTEINER Matrikelnummer 9856136 mit Christian J. ZÖPFL Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor Inha l ts v e rz e ichnis 1. In welchen Klassen wird dieses Thema behandelt Seite 3 2. Lernziele Seite 3 3. Stoffliche Grundlagen mit didaktischer Aufbereitung in der Unter– und Oberstufe Seite 3 3.1. Grundsätzliches zu Elektromotoren und Generatoren 3.2. Unterstufe 3.3. Oberstufe 4. Durchgeführte Versuche und didaktische Aufbereitung Seite 8 4.1. Der Kollektor und seine Bedeutung 4.2. Der einfache Gleichstrommotor 4.3. Der selbstanlaufende Gleichstrommotor 4.4. Die Generatorwirkung des Motors 4.5. Elektrische Bremsung durch Stromumkehr 4.6. Gleichstromgenerator treibt Gleichstrommotor 4.7. Das Drehfeld eines im Magnetfeld bewegten Rotors 4.8. Universalmotor 24.01.01 Seite 2 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 1. In we l che n Kl a s s e n wird d ie s e s The ma b e ha nd e l t? Dieses Thema wird in der 4. Klasse Unterstufe und in der 7.Klasse Oberstufe genauer behandelt. 2 . Le rnz ie l e In diesem Kapitel der Physik lernt der Schüler Anwendungen von Gleichstrom und Wechselstrom kennen, nämlich den Gleichstrom – und Wechselstrommotor. Nicht nur das Kennenlernen ist wichtig, sondern es sollen den Schülern auch die besonderen Eigenschaften beider Motoren, anhand von Versuchen, nähergebracht werden. 3 . Stoffl iche Grund l a ge n mit d id a ktis che r Aufb e re itung in d e r Unte r – und Ob e rs tufe 3.1. Grundsätzliches zu Elektromotoren und Generatoren Elektromotoren und Generatoren, allgemeine Bezeichnung für elektrische Maschinen, mit denen sich elektrische Energie in mechanische Energie bzw. umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln läßt. Ein Generator wandelt mit Hilfe elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in elektrische Energie um. Im Gegensatz dazu läuft in einem Elektromotor der umgekehrte Prozess ab. Der Wirkungsweise von Elektromotoren und Generatoren liegen zwei verwandte physikalische Vorgänge zugrunde. Im Fall des Generators handelt es sich um die elektromagnetische Induktion, die erstmals Michael Faraday 1831 experimentell nachweisen konnte. Wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird, induziert (erzeugt) dieser Vorgang eine elektrische Spannung in dem Leiter. Den genau umgekehrten Fall, daß ein elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflußt, konnte Andre Marie Ampere im Jahr 1820 erstmals beobachten – Ampere untersuchte dabei die Ablenkung einer Magnetnadel durch elektrischen Strom. Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld und wird dieser 24.01.01 Seite 3 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor zusätzlich von einem elektrischen Strom durchflossen, übt das Magnetfeld eine mechanische Kraft auf den Leiter aus. Eine einfache elektrische Maschine ist beispielsweise der so genannte Scheibendynamo von Faraday. Er besteht im Wesentlichen aus einer Kupferscheibe, die so montiert ist, dass sich ein Teil der Scheibe vom Mittelpunkt bis zum Rand zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten befindet. Wenn die Scheibe in Drehung versetzt wird, entsteht durch die Wirkung des Magnetfeldes zwischen dem Mittelpunkt und dem Rand der Scheibe ein elektrischer Strom. In diesem Falle arbeitet die Apparatur nach dem Prinzip eines Generators. Auch der umgekehrte Fall ist mit dem Scheibendynamo möglich. Dazu legt man zwischen dem Rand und dem Mittelpunkt der Scheibe eine elektrische Spannung an, wobei sich die Scheibe aufgrund der induzierten Kraft dreht. Das Magnetfeld eines Dauermagneten reicht nur für den Betrieb eines kleinen Dynamos oder Motors aus. Deshalb werden für große Maschinen Elektromagneten verwendet. Sowohl Motoren als auch Generatoren bestehen aus zwei grundlegenden Einheiten: zum einen aus dem Elektromagneten mit seinen Spulen und zum anderen aus dem Anker, der die Leiter trägt. Letztere schneiden das Magnetfeld und erzeugen praktisch bei einem Generator den induzierten Strom bzw. bei einem Motor den Antriebsstrom. Der Ankerkern besteht meist aus Weicheisen, um den Leitungsdrähte in Form einer Spule gewickelt sind. 3.2. Unterstufe Der Elektromotor spielt in unserem Leben eine außerordentlich wichtige Rolle. Kleine Elektromotore findet man in zahlreichen Geräten im häuslichen Bereich.(Mixer, Staubsauger, Spielzeugeisenbahn), große Elektromotore werden in der Industrie und Technik zum Antrieb von Maschinen und im Verkehrswesen verwendet. Im Elektromotor wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Das Prinzip des Elektromotors beruht auf der magnetischen Anziehung und Abstoßung zwischen einer stromdurchflossenen Spule und einem feststehenden Magneten. Der Stromwender oder Kommutator Das für die Aufrechterhaltung der Drehbewegung wesentliche Umpolen der Stromrichtung nach jeder halben Drehung geschieht selbstständig durch einen Kommutator. Er besteht aus zwei isolierten Halbzylinder. Jeder dieser Halbzylinder ist mit einem Ende der Spule fest verbunden. Die Stromzufuhr erfolgt über federnde Kontakte B1, B2, die Bürsten genannt werden. Sie schleifen am Kommutator. (Bild 1) 24.01.01 Seite 4 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor Der Kommutator ändert die Stromrichtung in der Spule eines Motors nach jeder halben Umdrehung. Bild 1 Technische Ausführung des Gleichstrommotors Bei einem Gleichstrommotors können folgende Teile unterschieden werden: der Rotor, das ist der sich drehende Teil des Motors, der Stator als feststehender Teil, und der Kommutator, der die Stromrichtung ändert. Der Stator kann ein Permanentmagnet sein oder auch ein Elektromagnet. Der Rotor ist ein Elektromagnet und wird auch als Anker bezeichnet. Er kann verschiedene Ausführungsformen haben: Doppel – T – Anker oder Dreifach – T – Anker. Bei vielen Motoren besteht der Anker zur Erzielung einer starken, gleichmäßigen Bewegung aus mehreren Spulen, die um einen Eisenkern gewickelt sind: es entsteht der Trommelanker Elektromotoren sind Maschinen, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln. Die Ursache für die Drehbewegung des Elektromotors sind die magnetischen Anziehungs – und Abstoßungskräfte zwischen einem stromdurchflossenen Leiter – Rotor (Anker) und einem feststehenden Magneten – Stator (Feldmagnet). Die Aufrechterhaltung der Drehbewegung erfolgt im Gleichstrommotor durch das ständige Umpolen der Stromrichtung, das der Kommutator bewirkt. Der Elektromotor wandelt den größten Teil der zugeführten elektrischen Energie in mechanische Energie (Drehbewegung) um. Nur ein geringer Teil geht als Reibungswärme verloren. Wechselstrommotore Wenn in einem Motor zur Erzeugung des magnetischen Feldes im Stator kein Dauermagnet sondern ein Elektromagnet eingebaut wird, kann der Motor auch mit Wechselstrom betrieben werden. 24.01.01 Seite 5 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor Im Gegensatz zum Gleichstrom ändert sich beim Wechselstrom periodisch die Stromrichtung. Da aber bei den Elektromagneten gleichzeitig im Anker und in der Feldmagnetspule die Stromrichtung wechselt, bleibt der Drehsinn des Umlaufes erhalten. Motoren, die sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom betrieben werden können, nennt man Universalmotoren. Sie werden in Haushaltsgeräten verwendet. 3.3. Oberstufe Elektromotoren haben den gleichen prinzipiellen Aufbau wie Generatoren, jedoch eine umgekehrte Wirkungsweise. An die Ankerwicklung wird eine Spannung gelegt, die den Ankerstrom erzeugt. Das Feld eines Elektro- oder Permanentmagneten übt auf die stromdurchflossenen Ankerwindungen Kräfte aus, die zu einem Drehmoment führen. Dieses setzt den Rotor in Umdrehung. Gleichstrommotor Ein Gleichstrommotor benötigt Gleichstrom der kontinuierlich in nur eine Richtung im Stromkreis fließt. Ein Gleichstrommotor besteht im Prinzip aus einem Magneten, einem Anker, der innerhalb eines magnetischen Feldes rotiert, was eine Spannung in den Ankerwicklungen induziert, und einem Kollektor. Diese, in den Ankerwicklungen induzierte Spannung ist der von außen an den Anker angelegten Spannung entgegengesetzt und wird daher auch als Gegenspannung bezeichnet. Sie kann bei schneller laufendem Motor fast so groß werden, wie die angelegte Spannung. In diesem Fall ist die Stromstärke sehr gering und der Motor läuft mit konstanter Geschwindigkeit. Im Lastbetrieb wird der Anker langsamer. Als Folge nimmt die Gegenspannung ab und der Stromfluss durch den Anker zu. Dadurch ist der Motor in der Lage, mehr Leistung aufzunehmen und mehr mechanische Arbeit zu verrichten. Jetzt wieder zurück zum Aufbau des Motors. In der primitivsten Ausführung besteht der Kollektor eines Gleichstrommotors aus einem gespaltenen Metallring, der auf der Welle des Ankers montiert ist. Die beiden Hälften des Ringes sind voneinander getrennt und bilden die Enden der Ankerspule. Feststehende Metall – oder Kohlebürsten werden gegen den rotierenden Kollektor gedrückt und stellen so den elektrischen Kontakt der Spule zu den Drähten außerhalb des Motors dar. Eine Drahtspule ist um einen Eisenkern gewickelt. Die Stromquelle ist an Bürsten befestigt, die einen Schalter berühren, der wiederum am Anker angebracht ist. Während sich die Drahtspule dreht bewirkt der Schalter immer wieder einen Wechsel der Stromrichtung. Der elektrische Strom fließt in einer Richtung, von der Quelle zum Motor und wieder zurück. Die Drähte der Spule stehen unter Strom und sind den Kräften 24.01.01 Seite 6 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor des Magnetfeldes ausgesetzt. Wenn der Strom in eine bestimmte Richtung fließt, wird der Teil der Drahtspule, der sich in der Nähe des südlichen Magnetpoles befindet, nach unten gedrückt, der Teil, der sich in der Nähe des nördlichen Magnetpoles befindet, wird nach oben gedrückt. Auf diese Weise bewirkt der Magnet, dass sich der Anker dreht. Nach jeder halben Drehung veranlasst der Schalter eine Umkehr der Stromrichtung. Die Kräfte, die auf die Spule einwirken werden umgekehrt und eine komplette Drehung vollzogen. Der Zyklus wiederholt sich fortwährend und es entsteht eine fließende Bewegung. Wechselstrommotor: Der Aufbau des Wechselstrommotors ist die selbe wie beim Gleichstrommotor. Das Problem dabei ist, die Drehrichtung des Läufers unabhängig von der Stromrichtung zu machen. Wie könnte man das erreichen? Wenn man die Pole des Dauermagneten beim Stromrichtungswechsel ebenfalls wechseln könnte, wäre das Problem gelöst. Polwechsel ist bei einem Elektromagneten leicht zu erreichen. Man ersetzt also den Dauermagneten durch einen Elektromagneten. Der Motor läuft immer im gleichen Drehsinn. Die Ankerpole und die Pole des Elektromagneten tauschen im gleichen Augenblick die Plätze. Einen Elektromotor, der mit Gleichstrom und Wechselstrom betrieben werden kann, nennt man Universalmotoren. 24.01.01 Seite 7 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4 . D urchge fü hrte V e rs uche und d id a ktis che Aufb e re itung Alle Versuch werden mit Hilfe der Leybold – Elektrolehrmaschinen durchgeführt. 4.1. Versuch 1: Der Kollektor und seine Bedeutung Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Verwendete Geräte: è1 Grundbrett mit Bürstenbrücke è2 Bürsten è1 Zweipolrotor è1 Gleichstromquelle è1 Inklinationsnadel èExperimentierschnüre Versuchsdurchführung: Der Zweipolrotor wird auf die Achse des Grundbrettes aufgesetzt; an seinen Kollektor wird über die Bürsten eine Spannung von ca. 2V gelegt. Mit der Inklinationsnadel beobachtet man die magnetische Polarität an einem markierten Ende des Rotors während einer ganzen Umdrehung, indem man die Inklinationsnadel der Rotorbewegung nachführt. Der gleiche Versuch wird bei verschiedenen Bürstenstellungen durchgeführt. Versuchsergebnisse: Während einer Umdrehung wechselt das geprüfte Rotorende zweimal seine magnetische Polarität. Der Polwechsel geschiet genau dann, wenn die feststehenden Bürsten von einem Kollektorsteg zum anderen überwechseln und damit die Richtung des Stromes in den Spulen wechselt. 24.01.01 Seite 8 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor Erkenntnisse aus dem Versuch: Der sich im Magnetfeld bewegende stromdurchflossene Leiter ist das physikalische Grundprinzip des Motors. Er wandelt elektrische Energie in mechanische um. Um dieses Prinzip in der Technik sinnvoll anwenden zu können, benutzt man im wesentlichen den gleichen Aufbau, wie er vom Generator bekannt ist: In einem von zwei gegenüberliegenden Permanent- oder Elektromagneten erzeugten Magnetfeld wird drehbar eine Spule angebracht. Fließt ein Strom durch die Spule, so rotiert diese unter der Voraussetzung, daß das magnetische Kräftespiel zwischen dem festen Magnetfeld der Polschuhe und der beweglichen Spule so gesteuert wird, daß die Spule während einer Umdrehung die Stromrichtung und damit die Richtung ihres Magnetfeldes ändert. 24.01.01 Seite 9 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4.2. Versuch 2: Der einfache Gleichstrommotor Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Verwendete Geräte: è2 Bürsten è1 Paar Scheibenmagnete è2 Breite Polschuhe ohne Ansatz è1 Zweipolrotor è1 Gleichstromquelle èExperimentierschnüre è1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben Versuchsdurchführung: Der Motor wird mit ca. 7-8 V Gleichspannung betrieben. Er muß normalerweise mit der Hand angestoßen werden. Zur Feststellung der für den Betrieb günstigsten Bürstenstellung wird das Bürstenfeuer bei verschiedenen Bürstenstellungen beobachtet. Versuchsergebnisse: Sind die Bürsten parallel zur Richtung des Hauptfeldes gestellt, so ist ein gut erkennbares Bürstenfeuer zu beobachten. Dieses verstärkt sich bei Verdrehen der Bürsten in Drehrichtung des Rotors, dagegen nimmt es bei Verdrehen entgegen der Drehrichtung des Rotors bis zu einem Minimum ab. Bei unbelasteten Gleichstrommotoren verläuft die neutrale Zone in Richtung des Statorfeldes, bei belasteten Motoren ist sie gegen die Drehrichtung des Rotors verschoben. Hier ist die Belastung u.a. durch die Lagerreibung gegeben. Erkenntnisse aus dem Versuch: Das Hauptfeld und das Magnetfeld des stromdurchflossenen Rotors überlagern sich beim Motorbetrieb elektrischer Maschinen zum Gesamtfeld. Die Richtung des Gesamtfeldes bestimmt die Richtung der neutralen Zone, also die Bürstenstellung, die für den Betrieb am günstigsten ist. 24.01.01 Seite 10 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4.3. Versuch 3: Der selbstanlaufende Gleichstrommotor 1. Versuch Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Verwendete Geräte: è2 Bürsten è1 Paar Scheibenmagnete è2 Breite Polschuhe ohne Ansatz è1 Dreipolrotor è1 Gleichstromquelle è1 Messinstrument è1 Inklinationsnadel è1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben èExperimentierschnüre Versuchsdurchführung: Dem Dreipolrotor wird über den Kollektor ein Gleichstrom von ca. 1 A zugeführt. Ein Hauptfeld ist nicht vorhanden. Mit der Inklinationsnadel wird die magnetische Polarität des stromdurchflossenen Rotors bei verschiedenen Rotorstellungen geprüft. Versuchsergebnisse: Je nach Stromrichtung und Stellung der Bürsten sind zwei Nordpole und ein Südpol oder umgekehrt feststellbar. 2. Versuch Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: 24.01.01 Seite 11 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor Versuchsdurchführung: Der Rotor wird in das von Polschuhen und Scheibenmagneten gebildete Magnetfeld eingesetzt. Über den Kollektor werden ca. 5 V Gleichspannung an den Rotor gelegt. Versuchsergebnisse: Der Motor läuft in jeder Lage ohne Anwerfen an. Erkenntnisse aus den Versuchen: Ein Motor mit Zweipolrotor läuft im allgemeinen nicht ohne mechanischen Anstoß an. Dieser Anstoß erst ermöglicht es, die Trägheit in dem Punkt zu überwinden, in dem kein Drehmoment am Rotor wirksam ist. Die Technik ist naturgemäß an einem selbstanlaufenden Motor interessiert. Ein derartiges Selbstanlaufen wird dann möglich, wenn am Rotor ständig ein Drehmoment wirksam ist. Man benutzt einen Rotor mit drei um je 120° gegeneinander versetzten, hintereinandergeschalteten Spulen, deren Enden mit je einem Kollektorsegment und je einem Schleifring verbunden sind. Auch hier wechselt jeder Pol nach einer Drehung von 180° sein Vorzeichen. Aber der Polwechsel erfolgt nie für alle drei Pole gleichzeitig, sondern in zeitlichem Nacheinander. So ist bei jeder Rotorstellung ein Drehmoment vorhanden. Dies erklärt das Anlaufen drei- und mehrpoliger Rotoren. 24.01.01 Seite 12 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4.4. Versuch 4: Die Generatorwirkung des Motors Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Bild 1 Bild 2 Verwendete Geräte: è1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben è1 Tischklemme è2 Bürsten è1 Paar Scheibenmagnete è2 breite Polschuhe ohne Ansatz è1 Dreipolrotor è1 Vorgelege mit Handantrieb è1 Gleichstromquelle è1 Messinstrument èExperimentierschnüre Versuchsdurchführung: Die Maschine wird zunächst als Motor betrieben (Bild 1): dem Rotor wird über den Kollektor eine Gleichspannung von ca. 6 V zugeführt, sodaß ein Strom von ca. 2 A fließt. Die Richtung des Stromes stellt man mit dem Strommesser fest. Dann wird die Gleichstromquelle abgeschaltet und der Rotor mittels Handvorgelege im gleichen Drehsinn wie bisher bewegt. Beim Generatorbetrieb der Maschine (Bild 2) zeigt der Strommesser einen im Vergleich zum Motorbetrieb entgegengesetzten Ausschlag. Versuchsergebnisse: Der aus der Drehung des Rotors im Magnetfeld resultierende Strom ist dem zum Antrieb des Motors durch den Rotor fließenden Strom entgegengerichtet. Erkenntnisse aus dem Versuch: Wird eine elektrische Maschine als Motor betrieben, so liegt an den Enden der Rotorwicklung bei laufendem Motor eine andere Spannung als im Stillstand. Berücksichtigt man, daß ein sich im Magnetfeld drehender Rotor als Generator wirkt, so ist verständlich, daß der Rotorstrom hierdurch vermindert wird. 24.01.01 Seite 13 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4.5. Versuch 5: Elektrische Bremsung durch Stromumkehr Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Verwendete Geräte: è1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben è2 Bürsten è1 Paar Scheibenmagnete è2 breite Polschuhe ohne Ansatz è1 Dreipol – oder Trommelrotor è1 Gleichstromquelle è1 Messinstrument è1 Kreuzschalter èExperimentierschnüre Versuchsdurchführung: Dem Kollektor wird über einen Kreuzschalter eine Gleichspannung von ca. 10 V zugeführt. Bei Betätigung des Kreuzschalters ändert sich, wie am Strommesser nachweisbar, die Richtung des Rotorstromes. Der Strom wird abgeschaltet, sobald der Rotor während des Drehsinnwechsels stillsteht. Versuchsergebnisse: Rotor ändert seinen Drehsinn. Erkenntnisse aus dem Versuch: Wird bei einem Motor die Richtung des Rotorstromes umgekehrt, ohne daß sich gleichzeitig die Polarität des Hauptfeldes ändert, so wechselt der Rotor seinen Drehsinn. Schaltet man den Rotorstrom im Augenblick der Umkehr des Drehsinns aus, so bleibt der rotor stehen. Die Stromumkehr ist also ein einfaches und wirksames Mittel zur elektrischen Bremsung. 24.01.01 Seite 14 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4.6. Versuch 6: Gleichstromgenerator treibt Gleichstrommotor Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Verwendete Geräte: è2 Grundbretter mit je einer Bürstenbrücke und zwei Schrauben è1 Tischklemme è4 Bürsten è2 Paar Scheibenmagnete è4 breite Polschuhe ohne Ansatz è1 Zweipolrotor è1 Dreipolrotor è1 Vorgelege mit Handantrieb è1 Messinstrument èExperimentierschnüre Versuchsdurchführung: Wird für den Generator der Zweipolrotor und für den Motor der Dreipolmotor verwendet, so läuft – bei richtigen Bürstenstellungen – der Motor von selbst an. Der Strommesser zeigt die Stromrichtung an. Versuchsergebnisse: Motor läuft von selbst an. Erkenntnisse aus dem Versuch: Es wird mit diesem Versuch gezeigt, wie mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann ihrerseits imstande ist, einen Elektromotor zu betreiben. 24.01.01 Seite 15 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4.7. Versuch 7: Das Drehfeld eines im Magnetfeld bewegten Rotors Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Verwendete Geräte: è1 Grundbrett mit zwei Schrauben è1 Tischklemme è1 Paar Scheibenmagnete è2 Paar Polschuhe ohne Ansatz è1 Zweipolrotor è1 Drehfeldlasche mit Lager und Kurzschlussring è1 Vorgelege mit Handantrieb Versuchsdurchführung: Man setzt die Drehfeldlasche so auf die Achse des Grundbrettes auf, dass die Lagerbuchse dem Brett zugewandt ist. Polschuhe und Magnete werden auf der Lasche festgeschraubt, wobei die Zentrierscheibe zur genauen Abstandhaltung eingesetzt werden muss. Das Vorgelege wird mit der Riemenscheibe verwendet, die der kleineren Übersetzung entspricht. Dann dreht man den Zweipolrotor mit aufgesetztem Kurzschlussring sehr langsam im zunächst stillstehenden Statorfeld. Nach ca. einer Rotordrehung dreht sich das Hauptfeld im gleichen Sinne, aber mit geringerer Geschwindigkeit als der Rotor. Es ist darauf zu achten, dass der Rotor nicht zu schnell gedreht wird; übersteigt die Drehfrequenz des Vorgeleges ½Umdrehung pro Sekunde, so kann das Hauptfeld infolge der Trägheit der Drehfeldlasche dem magnetischen Drehfeld des Rotors nicht mehr folgen. Versuchsergebnisse: 24.01.01 Seite 16 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor Bei Wiederholung des Versuches mit entferntem Kurzschlussring dreht sich die Drehfeldlasche nicht mit. Damit ist nachgewiesen, dass der in der kurzgeschlossenen Spule induzierte Strom das Mitdrehen des Außenfeldes bewirkt. Das Prinzip der kurzgeschlossenen Rotorspule wird für Wechsel – und Drehstrommotoren ausgenutzt. Erkenntnisse aus dem Versuch: Dreht man einen Rotor mit kurzgeschlossener Wicklung in einem Magnetfeld, so fließt durch Induktionswirkung im Rotor ein Strom, der seinerseits ein Magnetfeld zur Folge hat. Dieses wird durch die Drehung des Rotors zum magnetischen Drehfeld, das sich nachweisen lässt, indem man seine Rückwirkung auf das – drehbar angebrachte – Hauptfeld zeigt. Dieser Versuch wurde von uns nicht durchgeführt, da der Kurzschlussring nicht aufzutreiben war. 24.01.01 Seite 17 Schulversuchspraktikum Der Gleich– und Wechselstrommotor 4.8. Versuch 8: Universalmotor Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Verwendete Geräte: è1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben è2 Bürsten è2 Spulen mit 250 Windungen è2 breite Polschuhe mit Ansatz è1 Dreipolrotor è1 Stromquelle èExperimentierschnüre Versuchsdurchführung: Man baue den Motor als Hauptschlussmaschine auf und betreibe ihn mit ca. 20V Wechselspannung. Nach Einschalten des Betriebstromes läuft der Motor langsam an und erreicht nach ca. 20 – 30 Sekunden seine volle Drehzahl. Anschließend betreibt man den Motor mit Gleichstrom und zeigt, dass er damit ebenfalls arbeitet Versuchsergebnisse: Der Universalmotor kann auch als Nebenschlussmotor betrieben werden. Erkenntnisse aus dem Versuch: Wird ein Hauptschlussmotor, bei dem Rotor und Statorspulen in Reihe geschaltet sind, mit Wechselspannung betrieben, so werden sich bei jedem Wechsel der Stromrichtung im Rotor gleichzeitig die Stromrichtung und damit die magnetische Polarität an den Statorspulen ändern. Da bei gleichzeitigem Richtungswechsel des Stator – und des Rotorstromes die Richtung des infolge der Überlagerung von Haupt – und Rotorfeld wirksamen Drehmomentes unverändert bleibt, wird sich ein derartiger Motor in einer bestimmten Richtung drehen. Er ist also sowohl mit Gleich – als auch mit Wechselstrom zu betreiben. 24.01.01 Seite 18
