Elektrische Maschinen: Der Gleichstrommotor 1 • geräusch arm

Elektrische Maschinen: Der Gleichstrommotor 1
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem
Magnetfeld, wird auf diesen eine (Lorentz-)Kraft ausgeübt. Diesen Effekt nützt man allgemein bei Elektromotoren aus.
Welle
Blechpaket
Kommutator
Eigenschaften von E-Motoren:
• einfacher Anschluss ans Netz
• Leistung steht sofort bereit
• für kleine und größere Leistung
• relativ wartungs arm
• geräusch arm
• keine Abgase
• guter Wirkungsgrad
Wicklung
Bei kleineren Maschinen wird das Magnetfeld durch einen Dauermagneten (meist SmCo, statt Ferrite)
erzeugt; bei größeren muss es mittels stromdurchflossenen Wicklungen erregt werden.
Um den Rotor mit Strom zu versorgen, der bei jeder halben Umdrehung wieder gewendet werden muss, ist
ein Kommutator samt Bürsten notwendig. Dessen Funkenbildung (sog. „Bürstenfeuer“) bewirkt eine
erhebliche el.-magn. Störung und fördert den Verschleiß .
Eigenschaften
Gleichstrommotoren lassen sich durch Ändern der Klemmenspannung die Drehzahl im weiten Bereich stufenlos einstellen.
•
Großer Drehzahlbereich bei hoher Leistung
•
Gutes Anfahr verhalten
•
Verwendung
•
Aufzüge u. Förderanlagen
•
Kleinmotoren
Die Gleichstrommaschine nimmt im Anlauf sehr große Ströme auf, auch wenn sie gar nicht belastet wird,
denn im Anker wird eine Gegenspannung induziert . Beim Beschleunigen auf höhere Drehzahlen wird der
Strom immer kleiner. Würde das Stator-Magnetfeld während des Laufs immer kleiner werden, so würde der
Rotor, wegen fehlender Gegenspannung immer schneller rotieren .
Gleichstrommotoren können z.T. auch bei geringster Drehzahl hohe Drehmomente entwickeln. Das
Drehmoment hängt ab von der ...
• Stärke des Erregerfeldes (IErr)
• Größe des Ankerstromes (IA)
• Bauart des Rotors
Der Nebenschlussmotor
M
U1
Der Reihen- oder Hauptschlussmotor
M
U2
U1 U2
n
•
Drehzahl bleibt bei Belastungsschwankungen
nahezu konstant
Der Doppelschlussmotor
... ist ein Kompromiss aus 1 + 2 .
• Er vereinigt deshalb die Vorteile der beiden
Arten.
n
• sehr großes Anzugsmoment (z.B. beim Kfz-AnlasserMotor,
Straßenbahnen, Elektrowerkzeuge)
• kann auch mit Wechsel spannung (gleiche Phasenlage von
Rotor- und Statorfeld) betrieben werden „Universalmotor“
• im Leerlauf wird die Drehzahl zu hoch, „Motor geht durch“!!
Der Fremderregte Motor
Läufer und Stator werden von zwei verschieden (und
geregelten) Spannungsquellen versorgt:
• weiter, belastungsunabhängiger Drehzahlbereich
Dank der Mikroprozessortechnik werden heute die Gleichstrommotoren durch frequenz gesteuerte AC-Motoren ( s.
nächstes Thema) ersetzt. Diese lassen sich leicht in eine (SPS-)Steuerung einbinden. (z.B. in Waschautomaten)
Elektrische Maschinen: Der Gleichstrommotor 2
1. a) Welche Vorteile haben Elektromotoren mit einem Permanentmagneten?
b) Warum findet man solche Bautypen wohl kaum bei großen Motoren?
a) Diese permanenterregte Motoren benötigen keinen Strom; sie haben deshalb
einen höheren Wirkungsgrad und die oft störende Wärme ist geringer.
b) Permanentmagnete lassen sich nur bis zu einer gewissen Größe noch
wirtschaftlich herstellen; große Motoren müssen das Magnetfeld (durch Spulen
und Strom) selbst erregen.
2. a) Wie kann man sich den hohen Anlaufstrom von Gleichstrommotoren erklären?
b) Warum wirkt er störend?
a) Weil die Drehbewegung noch sehr gering ist, entsteht im Rotor nur eine sehr geringe Induktionsspannung. D.h.
diese Gegenspannung kann die äußere Spannung nur sehr wenig schwächen; der Strom ist deshalb im Rotor (bei
U − Uind
rel. geringem ohmschen Widerstand) hoch.
I =
R
b) Er belastet das Netz (bzw. die Spannungsquelle), ohne dass der Motor viel Leistung abgibt. (sehr geringer
Wirkungsgrad)
3. Wie ändert man die Drehzahl und die Drehrichtung von Gleichstrommotoren?
I. Die Drehzahl ändert man durch Erhöhung der angelegten Spannung (mittels Widerstände oder besser
mittels Stelltrafo, ...).
II. Die Drehrichtung ändert sich, wenn man entweder den Stator- oder den Rotorstrom umkehrt.
4. Welche Aufgaben haben Kommutatoren?
Bei modernen Motoren werden sie oft durch elektronische Kommutatoren ersetzt. Warum?
(commutare = vertauschen) Der Kommutator (auch Kollektor) hat die Aufgabe in der Läuferwicklung den
Strom (zum richtigen Zeitpunkt) zu wenden. Da je nach Stromfluss noch Induktionsspannungen in der
Wicklung herrschen können, kommt es zur Funkenbildung ( el.-magn. Störung und Verschleiß). Wenn man die
Rotorstellung (z.B. über Hallsensor) erfasst und dann mit Hilfe einer Leistungselektronik der Strom in den (3)
Statorwicklungen verändert. Der Motor wird dadurch wartungsfrei und lässt sich gut regeln.
5. a) Wieso lassen sich bestimmte Gleichstrommotoren auch mit Wechselstrom betreiben?
b) Welche Bauart erlaubt dies?
a) Wenn sowohl das Rotor- wie das Statorfeld sich gleichzeitig ändern, bleibt die Kraftrichtung die gleiche; der Motor hat (fast) die gleichen Eigenschaften wie ein normaler
Gleichstrommotor.
b) Da der Strom in Stator- und Rotorfeld gleichphasig sein müssen, kann nur ein Hauptschlussmotor als
Universalmotor arbeiten.
6. a) Wählen Sie für folgende Anwendungsbeispiele einen Neben- oder einen Hauptschlussmotor aus.
b) Kreuzen Sie die Fälle an, wo man heutzutage eher einen frequenzgesteuerten Motor einsetzt.
c) Welche Gründe sprechen für (und gegen) die Variante b) ?
H Anlasser für Verbrennungsmotor (große Kraft am Anfang nötig)
N Antrieb einer großen Kreiselpumpe (möglichst konst. Drehzahl im Nennbereich)
H Motor, um Lasten zu heben
N Antrieb für großen Extruder (konstante Drehzahl einhalten)
H Straßenbahnmotor
N Hauptantrieb einer Werkzeugmaschine
c) größerer Drehzahlbereich, größeres Drehmoment (u.U. kann auf’s Getriebe verzichtet
werden), leichtere Regelbarkeit, keine Gleichstromquelle erforderlich, teuerer.
7. Ordnen Sie mit Linien den Schaltungen den richtigen Namen und die wesentliche Eigenschaft zu.
Hauptschlussmotor
großes Anzugsmoment
Nebenschlussmotor
sehr weiter Drehzahlbereich
Doppelschlussmotor
lastunabhängige Drehzahl
Fremderregter Motor
Motor kann nicht „durchgehen“
8. Wie kühlt man Gleichstrommotoren, die mit sehr kleinen Drehzahlen arbeiten?
Sie benötigen eine Fremd- oder eine Wasserkühlung.
Elektrische Maschinen: Der Gleichstrommotor 3
9. Sie sollen für eine Kreiselpumpe und für eine Kolbenpumpe den jew. richtigen Hauptschluss- oder (in der
nächsten Stunde zu behandelnden) Drehstrommotor auswählen.
a) Ordnen Sie den folgenden vier skizzierten M-n-Diagrammen die jew. charakterisierte Maschine zu.
b) Worauf müssen Sie bei Ihrer Auslegung der Maschinen unbedingt achten?.
a) M
Hauptschlussmotor
n
M
M
Kreiselpumpe
n
M
Kolbenpumpe
n
Drehstrommotor
n
b) Die Nennwerte (Nenndrehmoment und Nenndrehzahl) müssen bei Pumpe und Motor möglichst beieinander
liegen.
Die Drehmomentkennlinie der Pumpe muss (von n0 bis nNenn) weit genug unterhalb der des Motors liegen, sonst
„schafft’s der Motor nicht, bis zur Nenndrehzahl“.
(Also Achtung bei der Kolbenpumpe, die unter Last angefahren werden muss. Nicht jeder el. Antrieb ist hier
geeignet. Ein Drehstrom-Asynchron-Motoren {vgl. nächstes Thema} könnte hier evtl. ohne zusätzliche
Maßnahmen nicht anlaufen.)
10. Wie kann man mit (Gleichstrom-)Motoren betriebene Anlagen el. bremsen?
Motor als Generator arbeiten lassen:
o Strom in einem Widerstand „verbraten“ (wie bei der Straßenbahn)
o Strom ins Netz zurückliefern (wie bei einer Bergbahn)
... weil noch Platz ist, hier ....
Kollektor
... ein verschlissener Kommutator
Kohle-Bürste
... ein bürstenloser
Außenläufermotor eines Festplattenantriebs
innen: elektronisch kommutierte Spulen, feststehend
außen: rotierender Permanentmagnet
stufenlos für verschiedene Belastungen, Drehzahlen und Drehrichtungen regelbarer Motor
Hallsensor nötig
hohes Drehmoment, guter Wirkungsgrad, verschleiß“frei“
... ein althergebrachter (neuer)
DC-Motor, 600 kW
(6-polig, mit Thyristoren zur
Stromgleichrichtung)
für ’ne ...
russische Walzstraße
oder
’ne österreichische Seilbahn