Elektromotor: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 2. April 2010, 23:06 Uhr

Der Elektromotor ist ein Energiewandler, der elektrische Energie in mechanische Energie, zum Antrieb von Maschinen, Fahrzeugen u. ä. umwandelt. Dies geschieht mit Hilfe der Kraftwirkung zwischen einem Magnetfeld und einem stromdurchflossenen Leiter. Hauptteile sind der feststehende Ständer (Stator) mit der Erregerwicklung und der drehbare Läufer (Rotor, Anker) mit der Ankerwicklung. Alle Elektromotoren können auch als Generator verwendet werden. Neben dem rotierenden Elektromotor gibt es auch den Linearmotor zu der Erzeugung von geradliniger Bewegung.

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Wird dem Elektromotor Strom zugeführt, entsteht am Metallring ein Minus- und ein Pluspol. Da durch die Spulen ebenfalls ein Strom fließt, bilden sich auch ein Nord- und ein Südpol. Dann wird der Südpol der einen, dem festen Nordpol der anderen angezogen. Dort ist der Strom am Metallring unterbrochen (Totpunkt), die Spule aber dreht sich durch den Schwung weiter. Dadurch wechselt der Strom am Metallring und somit auch die Pole an den Spulen. Nordpol und Südpol stoßen sich ab und der Motor mach eine halbe Drehung.

Die elektromagnetische Induktion

Die elektromagnetische Induktion ist die Erzeugung einer elektrischen Spannung mit Hilfe veränderlicher magnetischer Felder. Durch Bewegen eines elektrischen Leiters (Draht) in einem Magnetfeld entsteht an den Enden des Leiters eine sich mit dem Bewegungsrhythmus ändernde Induktionsspannung und beim Schließen des Stromkreises ein Induktionsstrom; darauf beruht der Generator. Dasselbe kann bei festgehaltenem Draht durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erreicht werden. Ebenso wird durch ein zeitlich sich änderndes elektrisches Feld ein Magnetfeld erzeugt, das andere magnetische Substanzen anziehen oder abstoßen kann; darauf beruhen der Motor, der Fernsprecher, der Lautsprecher u. a.

Werden zwei Drähte schichtweise übereinandergewickelt, so entsteht durch Vermittlung des Magnetfelds bei periodischen Änderungen der Spannung in dem einen Draht eine sich proportional dazu ebenso ändernde Spannung in dem anderen Draht; darauf beruhen Transformatoren, Induktionsapparat (Induktoren) und Induktionsöfen. Der Proportionalitätskoeffizient heißt der Gegeninduktionskoeffizient (Gegeninduktivität). Schließlich kann eine Drahtspule auch auf sich selbst zurückwirken (Selbstinduktion), wodurch eine der angelegten Spannung entgegenwirkende Spannung entsteht, deren Größe durch den Selbstinduktionskoeffizienten (Induktivität) bestimmt wird und die sich als induktiver Widerstand des Drahts gegenüber Wechselstrom auswirkt.

Begrifferläuterungen

Ständer

Stator, feststehender Teil eines Elektromotors oder Generators; bei Gleichstrommaschinen meist Träger der Feldmagnete, bei Wechselstrom- bzw. Drehstrommaschinen meist Träger der Hauptwicklung.

Anker

Dwer Anker ist ein mit Nuten versehenes Blechpaket, das die Ankerwicklung aufnimmt; in dieser Wicklung wird vom magnetischen Feld eine Spannung induziert. Bei Gleichstrommaschinen ist es meist (Außenpolmaschine) der Läufer, dessen Wicklung über den Kommutator mit dem Gleichstromnetz verbunden wird, bei Synchronmaschinen (Innenpolmaschinen) meist der Ständer, dessen Wicklung mit dem Wechsel- oder Drehstromnetz verbunden wird.

Kommutator

[der, Mehrzahl Kommutatoren; lateinisch] Stromwender, eine Vorrichtung an elektrischen Generatoren und Elektromotoren aus ringförmig angeordneten, gegeneinander und gegen die Läuferwelle isolierten Segmenten, die einerseits paarweise mit je einem Anschluss der Ankerwicklung verbunden sind, andererseits von einer Schleifbürste berührt werden, an die sich der äußere Stromkreis anschließt. Der Kommutator hat die Aufgabe, sich bei drehendem Läufer den in den Wicklungsteilen sinusförmig pulsenden Strom abzunehmen und ihn gleichzurichten, d. h. deren Anschlüsse wechselweise mit dem äußeren Netz so zu verbinden, dass in diesem die Stromrichtung unverändert bleibt.

Sternschaltung

elektrische Anschlussschaltung für drei Verbraucher oder Wicklungen an das Drehstromnetz. Dabei wird jeweils einer der beiden Verbraucheranschlüsse an je einen Leiter des Drehstromnetzes, der andere an einen gemeinsamen Sternpunkt (in Niederspannungsnetzen oft geerdet, Nulleiter) angeschlossen. Bei drei gleichen Verbrauchern fließt im Nulleiter kein Strom. Die Spannung an jedem der drei Verbraucher ist 1/Ö (3) der Spannung zwischen den Leitern des Drehstromnetzes, z. B. 220/380 V. Dreieckschaltung.

Schlupf

bei Asynchronmotoren das Maß für den Unterschied zwischen der tatsächlichen Drehzahl (n) des Läufers und der synchronen Drehzahl (nsyn) des Drehfelds. Berechnung: (nsyn - n) / nsyn = S (in Prozent). Der Schlupf steigt mit der Belastung des Motors. Ein idealer Schlupf von 0% ist nicht zu verwirklichen, da dann keine antreibenden Drehmomente auftreten.

Käfigläufer

der Läufer einer Asynchronmaschine, bei dem die Läuferwicklung aus blanken oder isolierten Metallstäben besteht, die in die Nuten des Läuferblechpakets eingelegt werden und an den Enden durch Kurzschlußringe (Endringe) verbunden sind.

Polrad

der die Magnetpole mit der gleichstromgespeisten Erregerwicklung tragende Läufer bei Wechselstromgeneratoren und Synchronmotoren (Generator).

Gleichstrom

elektrischer Strom gleichbleibender Richtung, im Gegensatz zum Wechselstrom, dessen Richtung sich periodisch ändert. Reiner Gleichstrom entsteht auf chemischem Wege in galvanischen Elementen oder Akkumulatoren; der durch Gleichrichter oder Generatoren gewonnene Gleichstrom enthält einen überlagerten Wechselstromanteil. Gleichstrom wird in der Nachrichtentechnik zum Betrieb von Relais, Wählern, Elektronenröhren und Transistoren gebraucht, in der Starkstromtechnik für regelbare Motorantriebe, vor allem in Maschinen und Elektro-Bahnen, und außerdem für galvanische Anlagen. Für den Transport hoher Leistungen über große Entfernung, besonders in Kabelleitungen, verwendet man Gleichstromübertragung mit Spannungen bis 1 Mill. Volt. Fernmeldeanlagen arbeiten mit Gleichstrom bis zu 60 Volt; Straßenbahnen, Obusse, Schnell- und Untergrundbahnen betreibt man mit Gleichstrom von 500—1500 Volt Spannung.

Der Gleichstrommotor

Der Gleichstrommotor ist ein mit Gleichstrom gespeister und mit Gleichstrom-Elektromagnet oder Permanentmagnet erregter Elektromotor; und wird als Reihenschluss-, Nebenschluss- oder Kompound- (Doppelschluss-) Motor ausgeführt.

Der Stator besteht in der Regel aus einem Ring aus Walzstahl, auf dessen Innenseite die Hauptpole (meist Elektromagnete mit einer Feldspule) und die Wendepole befestigt sind. Zwischen den Polen dreht sich der trommelförmige Läufer, der die Ankerwicklung trägt. (Daher nennt man den Läufer von Gleichstrommaschinen häufig auch Anker.) Die Ankerwicklung besteht aus vielen Spulen, die meist in Nuten des Läuferblechpakets eingelegt und deren Enden am Kollektor angeschlossen sind. Auf den Kollektorlamellen schleifen die feststehenden Bürsten, über die der Ankerwicklung ein Ankerstrom zugeführt wird. - Wenn der magnetische Fluss der Hauptpole vorhanden ist, entsteht durch den in der Ankerwicklung fließenden Strom ein Magnetfeld, dass das Hauptfeld des Stators senkrecht durchsetzt. Aus der Überlagerung der beiden Felder ergibt sich ein Drehmoment: Der Läufer dreht sich. Der aus Bürsten und Kollektor bestehende Stromwender (Kommutator) sorgt nun dafür, dass die umlaufende Ankerwicklung den Strom so zugeführt bekommt, dass ein möglichst großes Drehmoment entsteht. Zur Erleichterung der Stromwendung dienen die vom Ankerstrom durchflossenen Wendepole. Entsprechend der periodischen Veränderung des magnetischen Flusses in den sich unter den feststehenden Hauptpolen hinwegdrehenden Ankerteilen fließt in der Ankerwicklung der Gleichstrommaschine ein Wechselstrom (der durch den Kommutator gleichgerichtet wird). Das Ankereisen wird als Blechpaket (isolierte Eisenbleche) gebaut, um Wirbelstromverluste klein zu halten. Häufig werden Anker- und Erregerwicklung je an eine feste Spannung angeschlossen (fremderregter Gleichstrommotor), wobei dann meist die Erregerwicklung (Feldwicklung) so angelegt wird, dass sie parallel zum Anker an dieselbe Spannungsquelle angeschlossen werden kann (Nebenschlussmotor). Bei den Reihenschlussmotoren (Hauptschlussmotoren) werden dagegen Anker- und Feldwicklung in Reihe geschaltet, so dass sie vom selben Strom durchflossen werden.

Gleichstrom-Reihenschlussmotor

Aufbau:

Die Feldwicklung und der Anker sind in Reihe geschaltet. Die Feldwicklung hat wenige Windungen und starken Draht.

Anwendungsgebiete:

Bahnen, Hebefahrzeuge und Anlasser sind geeignet für wechselnde Belastung und wechselnde Drehszahl für direkte Kupplung und Zahnradantriebe. Die Wendepole haben die Aufgabe das Bürstenfeuer zu unterdrücken. Die Drehrichtung wird durch das Umpolen der Stromrichtung im Anker geändert.

Eigenschaften:

Die Drehzahl wird mit einem Fahrschalter oder Anlasser geregelt. Da der Motor im Leerlauf durchgeht ist er für Riemenbetrieb nicht geeignet.

Gleichstrom-Nebenschlussmotor

Aufbau:

Die Feldwicklung hat viele Windungen aus dünnem Draht. Die Feldrichtung ist parallel zum Anker geschalten.

Anwendungsgebiete:

Bei allen Antrieben, die relativ konstante Drehzahlen bei wechselnder Belastung besitzen.

Eigenschaften:

Fast gleichbleibende Drehzahl bei wechselnder Belastung.

Gleichstrom-Doppelschlussmotor

Aufbau:

Die Feldwicklung (Pole) tragen gleichzeitig einen Nebenschluss und einen Hauptschlusswicklung.

Anwendungsgebiete:

Nur für Sonderzwecke wie bei Aufzügen, Akkumulatoren oder Triebwagen.

Eigenschaften:

Je nachdem, ob die Hauptschluss- oder Nebenschlusswicklung überwiegt, ist seine Drehzahlcharrakterristik mehr der Nebenschluss oder der Reihenschlussform ähnlich.

Drehzahlregelbarer Gleichstrommotor

Aufbau:

Prinzip wie bei Gleichstromnebenschlussmotor. Die Feldwicklung wird konstant an 220V angeschlossen. Der Anker wird mit einer Spannung von 0-440V gespeist, je nach benötigter Drehzahl (Lenzsche Steuerung Elektronisch) Der Luftspalt zwischen Pol und Anker ist etwas größer, damit wird ein weicherer Anlauf erreicht.

Anwendungsgebiete:

Rollenbänder Automatisierungstechnik

Eigenschaften (Wirkungsweise):

Um jede Wirkung einer Ankerwicklung baut sich bei Stromdurchfluss ein kreisendes Kraftfeld auf. Sind auch die Hauptpole stromdurchflossen, so wirken Pol und Ankerfeld so aufeinander, das der Anker in Bewegung gerät. Die Richtung dieser Umdrehung lässt sich durch die Linke- Hand-Regel ermitteln. Weil ein Gleichstromfeld die Pole nicht wechselt, bleibt die Richtung, die Bewegung aller Ankerwicklungen des gleichen Feldes die selbe. Ein Umschalten der Pole oder des Ankers muss demnach eine Änderung der Drehrichtung des Motors zur Folge haben.

Der Wechselstrom

Der Wechselstrom ist ein elektrischer Strom, dessen Stärke und Richtung sich periodisch ändern; wird durch Generatoren oder elektrische Schwingungserzeuger (Sender) hergestellt. Eine Periode des Wechselstroms umfaßt den Anstieg der Stromstärke von Null auf den positiven Scheitelwert (Maximalwert, Amplitude), den Abfall über Null und den negativen Scheitelwert sowie den Anstieg wieder auf Null. Die Anzahl der Perioden pro Sekunde gibt die Frequenz des Wechselstroms an (in Hertz). Die Zahl der Richtungswechsel (Wechselzahl) ist gleich der doppelten Periodenzahl. Im allgemeinen ist der Strom- und Spannungsverlauf sinusförmig; Abweichungen sind als Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle und ihrer sinusförmigen Oberwellen aufzufassen. Die Anteile der verschiedenen Oberwellen lassen sich durch die Fourier-Analyse bestimmen. Infolge der regelmäßigen Schwankung der Stromstärke des Wechselstroms wirkt sich dieser nicht mit dem Scheitel-, sondern mit dem Effektivwert (Scheitelwert geteilt durch 2) des Stroms (z. B. bei der Wärmeerzeugung) aus. Der Wechselstromwiderstand ist im Allgemeinen aus einem frequenzunabhängigen Ohmschen (Wirkwiderstand) und aus einem frequenzabhängigen induktiven und kapazitiven Teil (Blindwiderstand) zusammengesetzt. Für ihn gilt auch das Ohmsche Gesetz. Der Blindwiderstand bewirkt eine Phasenverschiebung von Strom und Spannung, von der auch die Wirkleistung abhängt (Watt). Der technisch verwendete Wechselstrom ist meist Drehstrom, der eine Frequenz von 50 Hz hat (in USA 60 Hz). Bei elektrischen Eisenbahnen wird 162/3 Hz-Wechselstrom verwendet. Mit dem Strom ändert sich auch das magnetische Feld. Nach den Induktionsgesetzen können dann in benachbarten Leitern entsprechende Spannungen induziert werden. Da der Wechselstrom sich auf diese Weise leicht beliebig umformen (Transformator) und ohne große Verluste fortleiten läßt, wird er zur Übertragung der elektrischen Energie auf große Entfernungen benutzt. Die Hochfrequenztechnik verwendet Wechselströme sehr hoher Schwingungszahl.

Der Einphasenwechselstrommotor

Aufbau:

Der Aufbau ist ähnlich dem Drehstrom-Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer. Anwendungsgebiete:

Kleine Motoren mit 1,5 kW ohne hohes Drehmoment.

Eigenschaften:

Die Ständerwicklung besteht aus Haupt- und Hilfswicklung. Die Hilfswicklung wird mit einem Kondensator oder Widerstand geschaltet. Bei erfolgtem Anlauf wird die Hilfswicklung durch einen Fliehkraftschalter abgeschaltet.

Der Drehstrom

Dreiphasenstrom, besondere Art von Wechselstrom; entsteht durch Verkettung (Stern- oder Dreieckschaltung) dreier um 120° phasenverschobener Wechselströme mit gleicher Spannung und Frequenz. Gegenüber drei Einphasenströmen lassen sich bei symmetrischer Belastung die drei Rückleitungen einsparen. Bei unsymmetrischer Belastung nimmt ein dünner Nulleiter den Ausgleichstrom auf. Wenn die verschiedenen Phasen auf drei um 120° versetzte Spulen gegeben werden, entsteht ein rotierendes Magnetfeld (Drehfeld, daher die Bezeichnung Drehstrom). Ausnutzung z. B. im Drehstrommotor. Drehstrom ist die wichtigste und wirtschaftlichste Stromart.

Der Drehstrommotor

Der Ständer besteht hierbei im wesentlichen aus einem Ring, der aus vielen dünnen, voneinander isolierten Blechen zusammengepresst (Blechpaket) und längs der Bohrungsoberfläche mit axialen Nuten versehen ist, in denen die Wicklung liegt. Diese besteht meist aus drei gleichen Strängen, die mit den drei Leitern des Drehstromnetzes verbunden werden: Bei Dreieckschaltung wird jeder Wicklungsstrang an jeweils zwei Netzleiter angeschlossen; bei Sternschaltung wird jeder Netzleiter an den Anfang je eines Wicklungsstrangs angeschlossen, und die freien Wicklungsenden werden miteinander verbunden (Sternpunkt). Da die Summe der Ströme im symmetrischen Drehstromsystem gleich Null ist, braucht man von hier aus keine Rückleitung. Die drei Spannungen des Drehstromnetzes erreichen zeitlich nacheinander ihren Höchstwert, so dass auch die magnetischen Flüsse der drei Ständerwicklungsstränge nacheinander ihren Höchstwert erlangen. So entsteht in der Ständerbohrung ein Gesamtfluss, dessen Höchstwert zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Orten des Bohrungsumfangs auftritt. Das magnetische Feld läuft daher längs der inneren Oberfläche des Ständerblechpakets um.

Der Drehstromasynchronmotor

Aufbau:

Wird in einem Drehstromständer ein Läufer mit eingebaut, so entsteht ein Asynchronmotor.

Anwendungsgebiete:

Für schwierige Anlaufverhältnisse (großes Anfahrmoment) und zur Vermeidung großer Einschaltströme, zuweilen auch zum besonders sanften Anfahren, werden Asynchronmotoren mit Schleifringläufer bevorzugt.

Eigenschaften:

Die Drehzahl des Asynchronmotors ändert sich mit der Belastung: Im Leerlauf erreicht er nahezu eine synchrone Drehzahl; bei Nennlast (das ist die Belastung, für die der Motor angelegt ist) stellt sich ein Drehzahlunterschied zwischen Ständerdrehfeld und Läufer ein, der als Schlupf bezeichnet wird und je nach Motorgröße 0,5-10% der synchronen Drehzahl beträgt. Im einfachsten Fall besteht die Läuferwicklung (Sekundäranker) aus in Nuten geschobenen, oft unisolierten Kupferstäben, die an den Enden durch angelötete Kupferringe miteinander verbunden sind (Käfigläufer, Kurzschlussläufer); bei Motoren bis zu mehreren 100 kW wird die Käfigwicklung auch aus Aluminium in das Läuferblechpaket gegossen. Ein Maß für die Drehzahldifferenz ist der Schlupf, der bei normalem Betrieb der Belastung proportional ist. Infolge des Schlupfes wird in der Läuferwicklung ein Strom induziert, der zusammen mit dem magnetischen Feld im Luftspalt (Drehfeld) ein Drehmoment hervorbringt. Der Asynchronmotor ist der meistverwendete Elektromotor überhaupt.

Asynchronmotor:

früher

Nachteil -Lauf nur mit 1 Drehzahl - keine Drehzahlstellung

möglich

heute

Vorteil - lässt sich durch Leistungselektronik in Drehzahl von 0

bis unendlich

steuern

- nur durch speisende Netzfrequenz (Freyuenzumrichter)

Formel zur Drehfelddrehzahl:

Der Synchronmotor

Aufbau:

Wird in den Drehstromständer ein Läufer mit Magnetpolen eingebaut (Polrad), so entsteht ein Synchronmotor.

Eigenschaften:

Der Läufer umläuft unabhängig von der Belastung die synchrone Drehzahl des Ständerfeldes. Synchronmotoren haben konstante Betriebsdrehzahlen, die sich bei normalen Lastschwankungen nicht ändern. Die Höhe der Stromaufnahme eines Synchronmotors richtet sich nach der Belastung an der Welle und der Größe des Erregerstromes in der Polradwicklung. Der Synchronmotor kann nicht (wie der Gleichstrommotor) bei Verstellung der Erregung seine Drehzahl ändern. Ein untererregter Synchronmotor nimmt Blindleistung aus dem Netz auf; beim übererregten Synchronmotor sind die Betriebsbedingungen umgekehrt. Wird der Synchronmotor stark überlastet, so bleibt er stehen und entnimmt dabei dem Netz einen unzulässig großen Strom.

Quellenangaben:

- VEB Leipzig: "Kleine Enzyklopädie Technik"

- Vogel Fachbuch: " Mathematische und elektrotechnische Grundlagen"

- Dümmler·Bonn: „Friedrich Tabellenbuch Elektrotechnik, Elektronik“

- Rudolf Reinhardt: „Die Elektrotechnik“

- „Bertelsmann Lexikon“

- VEB Leipzig „“Friedrich Tabellenbücher Elektrotechnik“

- Volk und Wissen „Starkstrom- und Installationstechnik“

- Europa Lehrmittel: „Fachkunde Elektrotechnik“

- Europa Lehrmittel: „Praxis Elektrotechnik“

- Internet