Facharbeit elektromotor
Inhalt
Einleitung
1. Physikalische und elektrotechnische Grundlagen
1.1 Lorenzkraft
1.2 Die Dreifingerregel
2. Elektrische Maschinen
2.1 Rotierende und ruhende elektrische Maschinen
2.
2 Elektrische Maschinen als Energiewandler
3. Gleichstrommotor
3.1 Geschichtliche Entwicklung
3.2 Leistungs- und Anwendungsbereich
3.3 Aufbau eines Gleichstrommotors
3.4 Funktionsweise eines Gleichstrommotors
3.
5 Die wichtigsten Bauteile eines Gleichstrommotors
3.5.1 Der Ständer (Stator)
3.5.2 Der Anker (Rotor)
3.5.
2.1 Der Doppel-T-Anker
3.5.2.2 Der Dreifache-T-Anker
4. Wechselstrommotor
4.
1 Funktionsweise eines Wechselstrommotors
4.2 Gleichstrommotoren als Wechselstrommotoren
5. Weitere Bauarten von Elektromotoren
5.1 Reihenschlussmotor
5.2 Drehstrommotor
5.3 Kleinmotor
5.
4 Schrittmotor
5.4.1 Der Schrittmotor - ein wichtiges Bauelement moderner elektronischer Geräte
5.5 Linearmotor
Schluss
Quellenverzeichnis
"Alle Räder stehen still, wenn dein starker Arm es will", dichtete Georg Herwegh 1863 in seinem Bundeslied für den Allgemeinen deutschen Arbeiterverein. Damals wurden alle Räder noch durch Dampfmaschinen, Wasserkraft oder reine Muskelkraft bewegt. Es bedurfte in jedem Fall starker Arme, um diese Maschinerie in Gang zu halten oder sie abzustellen.
Heute stehen alle Räder still, wenn der Strom ausfällt. Denn der Elektromotor hat praktisch überall die Rolle des mechanischen Energielieferanten übernommen. Aus Industrie und Gewerbe ist er sowieso nicht mehr wegzudenken. Aber auch jeder Haushalt bringt es inzwischen mühelos auf mehrere Dutzend Elektromotoren, von der Spülmaschine bis zum CD-Spieler. Sogar der Verbrennungsmotor im Auto springt erst dann an, wenn er von einem Elektromotor in Schwung gebracht worden ist.
So perfekt und diskret verrichten alle diese elektrischen Antriebe ihre Dienste, dass uns ihre Allgegenwart und Unentbehrlichkeit kaum bewußt ist.
Erst recht verschwendet kaum jemand einen Gedanken an die verschiedenen Konstruktionsprinzipien des Elektromotors. Während beim Verbrennungsmotor auch der Laie normalerweise sehr wohl einen Viertakter von einem Zweitakter unterscheiden kann, bleibt der Elektromotor für ihn meist eine "black box", die eben irgendwie aus Strom eine Drehbewegung macht.
1. Physikalische und elektrotechnische Grundlagen
1.1 Lorenzkraft
Ich versuche die Lorenzkraft anhand eines Versuches zu erklären. Ein Leiterstück hängt freibeweglich im Feld eines Bügelmagneten.
Schalten wir nun den Strom ein, wird der Leiter je nach Richtung des Stromes und des Magnetfeldes in das Magnetfeld hineingezogen oder herausgedrängt. Dass es zu dieser Bewegung kommt, kann man auf eine Kraft zurückführen. Sie wirkt senkrecht zur Feldrichtung und auch senkrecht zum Leiter. Der Leiter kann sich nur im Magnetfeld bewegen, wenn er von einem elektrischen Strom durchflossen wird.
Die Kraft, die durch ein Magnetfeld auf die bewegten Elektronen ausgeübt wird, bezeichnet man als Lorenzkraft nach dem Physiker Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928).
1.
2 Die Dreifingerregel
Um den Zusammenhang zwischen der technischen Stromrichtung im beweglichen Leiter, der Richtung des Magnetfeldes und der Bewegungsrichtung des Leiters besser merken zu können, nimmt man die Dreifingerregel als Hilfe. Damit kann man sagen in welche Richtung die Bewegung des stromdurchflossenen Leiters erfolgen wird.
Dazu werden die ersten drei Finger der rechten Hand verwendet, die jeweils senkrecht zueinander stehen müssen. Der Daumen zeigt in die technische Stromrichtung als Ursache der Leiterbewegung und der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes (vom Nord- zum Südpol). Daraus schlussfolgern wir die Bewegungsrichtung des Leiters und damit zugleich die Richtung der Lorenzkraft durch den Mittelfinger.
2.
Elektrische Maschinen
2.1 Rotierende und ruhende elektrische Maschinen
Elektrische Maschinen werden grundsätzlich in rotierende und ruhende elektrische Maschinen unterteilt. Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommotoren gehören zu der Gruppe der Rotationsmotoren. Transformatoren zum Beispiel gehören zur Gruppe der ruhenden elektrischen Maschinen. Ich erzähle jetzt in erster Linie über elektrische Rotationsmaschinen, die als Motoren arbeiten.
Es gibt zwei wesentliche Hauptteile der rotierenden Maschinen, das wären ein feststehender Ständer (Stator) und ein rotierender Läufer (Rotor).
Am Ständer des Elektromotors befinden sich die Erregerwicklungen (Spulen), die ein magnetisches Feld (Erregerfeld) erzeugen und auf die die Ankerwicklungen eine Kraft ausübt.
Wenn der Ständer die Erreger- und der Läufer die Ankerwicklung trägt, spricht man von einer Außenpolmaschine. Im Gegensatz dazu rotiert die Erregerwicklung der Innenpolmaschine, während die Ankerwicklung fest ist.
2.2 Elektrische Maschinen als Energiewandler
Elektrische Maschinen sind Energiewandler. Wenn der Läufer einer Maschine angetrieben wird, d.
h. ihm mechanische Leistung zugeführt wird, so gibt die Maschine elektrische Leistung ab. Sie arbeitet als Generator (siehe Bild 1). Der Wirkungsgrad beträgt dann h = Pel / Pmech. Der Generator ist also ein mechanisch-elektrischer Energiewandler.Falls der Maschine elektrische Energie zugeführt wird, dann dreht sich der Läufer.
Die Maschine gibt mechanische Arbeitsleistung ab, und arbeitet als Motor (siehe Bild 2).
Der Wirkungsgrad beträgt in diesem Fall h = Pmech / Pel. Im Gegenteil zum Generator ist der Motor ein elektrisch-mechanischer Energiewandler.
3. Gleichstrommotor
3.1 Geschichtliche Entwicklung
Als erster elektromechanischer Energiewandler wurde der Gleichstrommotor entwickelt.
Die Energieversorgung erfolgte über die in den Anfängen der Elektrotechnik entwickelten galvanischen Elemente, die nur Gleichspannung lieferten. Die Entwicklung des Gleichstrommotors ist eng mit dem Namen A.Pacinotti verbunden, der im Jahre 1860 einen Motor mit Ringwicklungen und vierteiligem Stromwender fertigte. Auf Pacinotti folgte Gramme, der den Ringanker erfand. Dieser Anker arbeitete allerdings mit erheblichen Leistungsverlusten, da die Spulenhälften innerhalb des Läufers nicht genutzt werden konnten. Eine entscheidene Verbesserung der Funktionsweise des Gleichstrommotors erreichte Friedrich von Hefner Alteneck.
Der deutsche Konstrukteur umwickelte im Jahre 1872 einen zylinderförmigen Anker vollständig mit Draht und hatte somit den heute noch gebräulichen Trommelanker erfunden. Etwa um das Jahr 1890 verlor der Gleichstrommotor mit der Einführung des Drehstroms seine Vormachtstellung an die Induktionsmotoren.
3.2 Leistungs- und Anwendungsbereich
Der Gleichstrommotor ist eine elektrische Maschine, die sehr einfach in der Drehzahl und im Drehmoment verstellbar ist und deshalb in allen Größenordnungen gebaut wird. So gibt es Motoren mit unter einem Watt Leistung für die Feinwerktechnik oder Großmaschinen, die bei einer Spannung von 1500 V Leistungen von über 10.000 kW aufnehmen.
Weit verbreitet sind dauermagneterregte Motoren bis zu ca. 100 W, die in großer Stückzahl für die Kfz-Elektrik gefertigt werden. Dort werden sie als Scheibenwischer-, Gebläse- und Stellenmotoren eingesetzt. In der Industrie kommen Gleichstrommotoren vor allem in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen und Walzstraßen vor. In Nahverkehrsbahnen werden sie als Fahrmotoren verwendet.
3.
3 Aufbau eines Gleichstrommotors
Der Gleichstrommotor ist eine Außenpolmaschine, d.h. im Erregerfeld des Hauptpols ist eine sich drehende Leiterschleife gelagert. Vereinfacht man seinen Aufbau wie im Bild wesentlich, so besteht der Gleichstrommotor aus zwei grundlegenden Bauteilen: erstens aus einem Hauptmagneten, der am Ständer (Stator) befestigt ist und an dem sich die Erregerwicklungen (Spulen) befinden; zweitens aus dem als Leiterschleife bereits erwähnte Anker (Rotor), an dessen geblecht ausgeführten Ankerkern die Ankerwicklungen angebracht sind. Bei den beiden erwähnten Teilen handelt es sich um Magnete, die miteinander in Wechselwirkung treten und so die Rotationsbewegung des Ankers verursachen.
Im Bild können wir erkennen, dass es sich bei den Erregerwicklungen nicht immer um Spulen handeln muss.
Auch dauermagneterregte Motoren sind möglich. Wir haben es hier mit einem zweipoligen Gleichstrommotor zu tun, weil Nord- und Südpol die Feldkomponenten eines Motors sind. Der abgebildete Anker heißt Doppel-T-Anker. Er hat die einfachste Form, die für den Anker einer Gleichstrommaschine möglich ist. Seinen Namen hat er von seiner Form erhalten, die an zwei zusammengesetzte "T`s" erinnert.
Die Anfänge und Enden der Ankerspulen sind an die Lamellen des Kommutators (Kollektor) angeschlossen (im Bild blau und orange dargestellt).
Die Stromzufuhr in der Ankerwicklung erfolgt über Kohlebürsten (im Bild durch kleine rote Rechtecke gekennzeichnet), die mit dem rotierenden Stromwender einen Gleitkontakt geben und so die Spulen mit Strom versorgen. Kohle verwendet man deshalb, da es sich hierbei um einen relativ guten Leiter handelt, der zudem beim Gleitkontakt mit dem Kollektor die Funktion eines Schmiermittels erfüllt, indem kleine Kohlepartikel von der Kohlebürste abgeschliffen werden und sich auf der Kollektoroberfläche als Gleitmittel ansammeln. Kommutator und Bürsten kann man auch als einen mechanischen Schalter oder Wechselrichter verstehen, der beim Durchgang des Kollektors durch die neutrale Zone (Totpunkt, Nulldurchgang) die Stromrichtung umkehrt. Der Ständer, der im Bild ein Dauermagnet ist, stellt den gesamten äußeren Teil des Motors dar.
3.4.
Funktionsweise eines Gleichstrommotors
Ein Gleichstrommotor benötigt Gleichstrom, der kontinuierlich in eine Stromrichtung fließt. Im ihm wird durch die Zufuhr von Strom im Anker ein Drehmoment ausgelöst, welches den Anker in eine Drehbewegung versetzt. Durch die Drehung des Ankers wird eine Spannung in den Ankerwicklungen induziert. Diese induzierte Kraft ist der Spannung, die von Außen an den Anker angelegt ist, entgegengesetzt und wird deshalb auch als Gegenspannung bezeichnet. Bei einem schnell laufenden Motor kann sie fast so groß werden, wie die angelegte Spannung. In diesem Fall ist die Stromstärke niedrig und der Motor läuft mit konstanter Geschwindigkeit.
Wenn Lasten auf den Anker einwirken, wird er langsamer und dies bedeutet, dass die Gegenspannung abnimmt und der Stromfluss durch den Anker zunimmt. Dadurch kann der Motor mehr Leistung aufnehmen und mehr mechanische Arbeit verrichten.
Zum Starten des Motors sind spezielle Vorrichtungen notwendig, weil die Rotationsge-
schwindigkeit die Stromstärke im Anker steuert. Wenn man bei einem stillstehenden Motor die normale Arbeitsspannung anschließen würde, würde ein sehr starker Strom fließen, der den Kollektor und die Ankerwicklungen beschädigen könnte. Damit das nicht passiert wird ein Widerstand vor den Anker geschaltet. Man bezeichnet ihn auch als Vorwiderstand.
Seine Aufgabe ist es, die Stromstärke in dem Motor zu reduzieren, bis der Motor eine ausreichende Gegenspannung aufgebaut hat. Während der Beschleunigungsphase wird die Wirkung des Vorwiderstandes langsam verringert. Diese Verringerung kann manuell, als auch automatisch erfolgen. Die Geschwindigkeit, mit der der Motor läuft, ist abhängig von der Stärke des Magnetfeldes, welches auf den Anker wirkt und von der Stromstärke im Anker. Umso größer das Magnetfeld, umso kleiner ist die Drehzahl, mit der die Gegenspannung erzeugt wird.
3.
5 Die wichtigsten Bauteile eines Gleichstrommotor
3.5.1 Der Ständer (Stator)
Er dient zum einen als Halterung für die verschiedenen erforderlichen Wicklungen (Erregerwicklung, Kompensationswicklung, Wendepolwicklung), die an ihm angebracht sind, zum anderen gewährt er den äußeren magnetischen Rückschluss der Hauptpole, in deren innerem Feld (Luftspalt) sich der drehbar gelagerte Anker befindet. Den magnetischen Rückschluß können wir uns folgendermaßen erklären, falls wir uns die Feldlinien des Hauptmagneten, die am Nordpol des Magneten beginnen, als einen durchgehenden Feldlinienkreis vorstellen: Ausgehend vom Nordpol gehen die Feldlinien durch den Anker zum Südpol, um sich dort aufzuteilen und über den Stator zum Nordpol zurückgelangen. Hier beginnt der Kreislauf von neuem. Unter magnetischem Rückschluß versteht man also das "Rückleiten" der Feldlinien zum "Ausgangspol".
Außer diesen beiden wichtigen Funktionen hat der Ständer natürlich auch die Aufgabe, den Motor vor mechanischen Einwirkungen von außen zu schützen bzw. die Standfestigkeit des Motors zu gewährleisten.
3.5.2 Der Anker (Rotor)
Er ist ein gelagertes Bauteil eines Motors, das im Magnetfeld eines Elektro- bzw. Dauermagneten eine Drehbewegung ausführt.
Jetzt wollen wir den Anker von seinem Aufbau her betrachten.
Der Anker besteht aus einer Welle aus Stahl, die ein Blechpaket aus einzelnen zusammengepreßten Dynamoblechen trägt. Diese Dynamobleche sind auf jeweils einer Seite isoliert, weisen eine Stärke von 0.5 mm auf und haben eine bestimmte Form: Stellt man sich eine gestanzte kreisförmige Blechscheibe vor, von der man in einem bestimmten Abstand Kreissegmente abschneidet, so erhält man ein sternförmiges Gebilde. Preßt man nun eine Menge solcher sternförmiger Scheiben aneinander, erhält man einen Zylinder, der mehrere längsseitige Einkerbungen aufweist. Diese Einkerbungen liegen sich genau gegenüber.
Sie werden Nuten genannt und dienen der Aufnahme der Ankerwicklungen. Nach dem Einfügen der Ankerwicklungen in die Nuten werden diese mit einem Keil verschlossen. Nun bringt man das gesamte Blechpaket mit seinen Wicklungen noch auf eine Welle auf und preßt es mit Hilfe von Preßringen fest aneinander. Als Ergebnis erhält man einen Anker einer Gleich-
strommaschine.
3.5.
2.1 Der Doppel-T-Anker
Ein Doppel-T-Anker besteht aus einer Spule, die um einen Eisenkern gewickelt ist (siehe Bild). Im Schwerpunkt des Eisenkerns befindet sich eine Bohrung, durch die die Welle durchgeschoben wird. Den Namen hat der Doppel-T-Anker von der Form seines Eisenkerns erhalten, der nämlich an ein aufrechtes "T" erinnert, an das unten ein kopfstehendes "T" angesetzt ist. Motoren mit einem solchen Anker müssen meist angeworfen werden, da sie nicht in jeder Position aus eigener Kraft anlaufen können (z.B.
waagerechte Lage des Rotors).
3.5.2.2 Der Dreifache-T-Anker
Im Unterschied zum Doppel-T-Anker können Motoren mit Dreifach-T-Anker (siehe Bild) aus jeder beliebigen Position anlaufen, da die Magnetpole des Ankers so entstehen, dass sich die Kräfte auf die Ankermagnetfelder nicht selbst aufheben können. Wie schon der Name vermuten läßt, besteht der Dreifach-T-Anker aus drei T-förmigen Teilen, um die jeweils eine Spule gewickelt ist.
Der Kollektor ist mit drei Segmenten (Lamellen) belegt. An jede Lamelle sind dabei je ein Spulenanfang bzw. ein Spulenende zweier benachbarter Wicklungen angebracht.
4.Wechselstrommotor
Unter einem Wechselstrommotor versteht man Elektromotoren, die mit einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung betrieben werden. Von ihrem Aufbau her bestehen sie aus ungefähr den gleichen Teilen, einem drehbar gelagerten Anker (Rotor) und einem Feldmagneten (Stator).
Wechselstrommotoren besitzen aber keinen Kollektor (Polwender). Wie der Name schon sagt, werden sie ja mit Wechselstrom betrieben.
4.1 Funktionsweise eines Wechselstrommotors
Durch den Anker wird eine Wechselspannung geleitet, die wiederum ein Magnetfeld entstehen lässt, dessen Pole sich im Takt des Wechselstrommotors ändern. Bei einer normalen Netzfrequenz von 50 Hz bedeutet das, dass sich das Magnetfeld innerhalb einer Sekunde 50-mal ändert. Dies bedeutet ebenfalls, dass sich die anziehenden und abstoßenden Kräfte 50-mal in einer Sekund ihre Richtung zwischen Feldmagneten und Anker ändern.
Wenn man versuchen würde den Anker aus seiner Ruhelage heraus unter Wechselstrom zu setzen, dann würden, in Folge seiner Trägheit, nur "Zitterbewegungen" entstehen.
Versetzt man den Anker aber vor der Stromzufuhr in Rotationsbewegung, dann kann der Anker bei richtiger Drehfrequenz seine Rotation fortsetzen. Dieser Vorgang kann aber nur dann funktionieren, wenn der Anker in dem Moment, in dem er sich am magnetischen Nordpol des Feldmagneten vorbei bewegt, durch die Stromumpolung dort seinen eigenen Nordpol bildet und sich somit die gleichnamigen Pole abstoßen und die Drehbewegung fortgesetzt wird. Dasselbe muss an den magnetischen Südpolen passieren.
Bei dieser beschriebenen Bauart ist es wichtig, dass der Anker mit der gleichen Frequenz bewegt, mit der auch der elektrische Wechselstrom seine Richtung ändert. Solche Motoren werden als Synchronmotoren bezeichnet.
4.2 Gleichstrommotoren als Wechselstrommotoren
Wenn man bei Gleichstrommotoren die Anschlüsse des Feldmagneten vertauscht, bewegt er sich rückwärts. Vertauscht man gleichzeitig auch noch die Anschlüsse von den Feldmagneten und dem Anker, bewegt er sich wieder in seiner ursprünglichen Richtung. Ein Wechselstrommotor bedeutet aber nichts anderes als das ständige "Vertauschen" der Stromrichtungen. Daraus folgt, dass man einen Gleichstrommotor im Grunde genommen auch als Wechselstrommotor betreiben könnte.
5.
Weitere Bauarten von Elektromotoren
5.1 Reihenschlussmotor
Bei einem Reihenschlussmotor werden Ständer- und Läuferwicklungen in Reihe geschaltet. Es ist ein Betrieb von Gleich- oder Wechselstrom möglich. Sie finden Verwendung als:
§ Straßenbahnmotor
§ Antriebsmotor für Haushaltsgeräte
§ "Autoanlasser".
5.2 Drehstrommotoren
Das Typische an einem Drehstrommotor ist, dass die Ständerwicklungen um 120° versetzt angeordnet sind.
Sie sind sehr einfach und ohne Schleifringe aufgebaut, wartungsarm und preiswert. Sie werden eingesetzt als:
§ Antrieb für Maschinen
§ Förderbänder
§ Pumpen
§ Verdichter
§ Fahrstühle
§ Kräne
§ Fahrzeugantrieb (in Verbindung mit Elektronik zur Drehzahländerung).
5.3 Kleinmotor
Der Betrieb eines Kleinmotors ist nur mit Gleichstrom möglich. Sie werden eingesetzt im:
§ Spielzeugbereich
§ Modellbaubereich
5.4 Schrittmotor
Schrittmotoren sind eine Art Bindeglied zwischen Mechanik und Elektronik.
Sie werden eingesetzt für:
§ den Antrieb von Disketten- und CD-Laufwerken
§ den Antrieb von Druckern
§ die Zustellbewegung in CNC-Maschinen.
5.4.1 Der Schrittmotor - ein wichtiges Bauelement moderner elektronischer Geräte
Die Leseköpfe von CD-Playern sowie die Schreib-Lese-Köpfe von Computerfestplatten werden heutzutage durch Schrittmotoren betrieben. Er besteht aus zwei Schrittmotoren und einem Rotor mit mehreren Dauermagneten. Die Entstehung von Magnetpolen ist abhängig von der Stromflussrichtung und davon, welche Statorspule gerade mit Strom versorgt wird.
Der Rotor wird durch die entstehenden Kräfte kurzzeitig in Bewegung versetzt. Er dreht sich solange, wie sich zwei ungleichnamige Pole gegenüberstehen. Durch Umleitung des Stroms in andere Statorspulen entstehen neue Pole, die den nächsten Magneten anziehen usw. Durch dieses Verfahren gerät der Rotor in Bewegung. Der Vorteil bei einem Schrittmotor ist der, dass er immer wieder die gleiche Position bei einer Umdrehung einnimmt. Kleine Abweichungen können ignoriert werden.
5.5 Linearmotor
Linearmotoren sind einfach und stabil aufgebaut, betriebssicher und wartungsarm. Der Wirkungsgrad und die Schubkraft sind geringer als bei herkömmlichen Antriebsmotoren. Man kann auf Getriebe verzichten. Sie finden Einsatz als:
§ Induktionspumpe für flüssige Metalle
§ Türantrieb
§ Vorschubantriebe in Maschinen
§ Antriebe für Kranfahrwerke
§ Antriebe für innerbetrieblich Transportsysteme
§ Antriebe für Schnellbahnen.
Als Schlussbemerkung möchte ich eigentlich nur folgendes sagen.
Durch den Elektromotor wurde uns in der heutigen Industrie bzw. im Haushalt einiges erleichtert. Fast nichts wird mehr durch Muskelkraft verrichtet, sondern meist durch die verschiedensten Arten der Elektromotoren. Und das Gute ist, dass das noch längst nicht das Ende ist,
denn der Elektromotor wird gegenwärtig immer besser und noch fortschrittlicher.
Quellenverzeichnis:
- www.schuelerlexikon.
de
- www.gym-don.de/aktuell/physik/seite2.htm
- www.kfz-tech.de/Anlasser.
htm
- www.baadenweb.de/flieger/emotor.html
- www.brunnermeiers.de
- www.
hh.schule.de/klosterschule/9b/motor/motor.htm
- www.gymnasium-borghorst.de/motor/motor.
html
- www.energie.ch/themen/industrie/elektroantriebe/
- www.werklabor.ch/werklabor/werksite/motoren1.html
- Microsoft Encarta Enzyklopädie 2000
- Dorn - Bader Physik Mittelstufe ; Herman Schroedel Verlag KG, Hannover 1980
- Gesamtband Spektrum Physik Gymnasium SI ; Schroedel Verlag GmbH, Hannover
- Physik 2 Natur und Technik Sekundarstufe 1 Teilband 2; Cornelsen-Velhagen & Klasing GmbH & CO.
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