Elektrische Maschinen: Der Gleichstrommotor 1 ... - H. Klinkner
Elektrische Maschinen: Der Gleichstrommotor 1 ... - H. Klinkner
Elektrische Maschinen: Der Gleichstrommotor 1 ... - H. Klinkner
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<strong>Elektrische</strong> <strong>Maschinen</strong>: <strong>Der</strong> <strong>Gleichstrommotor</strong> 1<br />
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem<br />
Magnetfeld, wird auf diesen eine (Lorentz-)Kraft ausgeübt.<br />
Diesen Effekt nützt man allgemein bei Elektromotoren<br />
aus.<br />
Welle<br />
Blechpaket<br />
Eigenschaften von E-Motoren:<br />
• einfacher Anschluss ans Netz<br />
• Leistung steht sofort bereit<br />
• für kleine und größere Leistung<br />
• relativ wartungs arm<br />
• geräusch arm<br />
• keine Abgase<br />
• guter Wirkungsgrad<br />
Kommutator<br />
Wicklung<br />
Bei kleineren <strong>Maschinen</strong> wird das Magnetfeld durch einen Dauermagneten (meist SmCo, statt Ferrite)<br />
erzeugt; bei größeren muss es mittels stromdurchflossenen Wicklungen erregt werden.<br />
Um den Rotor mit Strom zu versorgen, der bei jeder halben Umdrehung wieder gewendet werden muss, ist<br />
ein Kommutator samt Bürsten notwendig. Dessen Funkenbildung (sog. „Bürstenfeuer“) bewirkt eine<br />
erhebliche el.-magn. Störung und fördert den Verschleiß .<br />
Eigenschaften<br />
• <strong>Gleichstrommotor</strong>en lassen sich durch Ändern der Klemmenspannung<br />
die Drehzahl im weiten Bereich stufenlos einstellen.<br />
• Großer Drehzahlbereich bei hoher Leistung<br />
• Gutes Anfahr verhalten<br />
Verwendung<br />
• Aufzüge u. Förderanlagen<br />
• Kleinmotoren<br />
Die Gleichstrommaschine nimmt im Anlauf sehr große Ströme auf, auch wenn sie gar nicht belastet wird,<br />
denn im Anker wird eine Gegenspannung induziert . Beim Beschleunigen auf höhere Drehzahlen wird der<br />
Strom immer kleiner. Würde das Stator-Magnetfeld während des Laufs immer kleiner werden, so würde der<br />
Rotor, wegen fehlender Gegenspannung immer schneller rotieren .<br />
<strong>Gleichstrommotor</strong>en können z.T. auch bei geringster Drehzahl hohe Drehmomente entwickeln. Das<br />
Drehmoment hängt ab von der ... • Stärke des Erregerfeldes (I Err )<br />
• Größe des Ankerstromes (I A )<br />
• Bauart des Rotors<br />
<strong>Der</strong> Nebenschlussmotor<br />
<strong>Der</strong> Reihen- oder Hauptschlussmotor<br />
M U 1 U 2<br />
M U 1 U 2<br />
• Drehzahl bleibt bei Belastungsschwankungen<br />
nahezu konstant<br />
n<br />
• sehr großes Anzugsmoment (z.B. beim Kfz-AnlasserMotor,<br />
Straßenbahnen, Elektrowerkzeuge)<br />
• kann auch mit Wechsel spannung (gleiche Phasenlage von<br />
Rotor- und Statorfeld) betrieben werden „Universalmotor“<br />
• im Leerlauf wird die Drehzahl zu hoch, „Motor geht durch“!!<br />
n<br />
<strong>Der</strong> Doppelschlussmotor<br />
... ist ein Kompromiss aus 1 + 2 .<br />
• Er vereinigt deshalb die Vorteile der beiden<br />
Arten.<br />
<strong>Der</strong> Fremderregte Motor<br />
Läufer und Stator werden von zwei verschieden (und<br />
geregelten) Spannungsquellen versorgt:<br />
• weiter, belastungsunabhängiger Drehzahlbereich<br />
Dank der Mikroprozessortechnik werden heute die <strong>Gleichstrommotor</strong>en durch frequenz gesteuerte AC-Motoren ( s.<br />
nächstes Thema) ersetzt. Diese lassen sich leicht in eine (SPS-)Steuerung einbinden. (z.B. in Waschautomaten)
<strong>Elektrische</strong> <strong>Maschinen</strong>: <strong>Der</strong> <strong>Gleichstrommotor</strong> 2<br />
1. a) Welche Vorteile haben Elektromotoren mit einem Permanentmagneten?<br />
b) Warum findet man solche Bautypen wohl kaum bei großen Motoren?<br />
a) Diese permanenterregte Motoren benötigen keinen Strom; sie haben deshalb<br />
einen höheren Wirkungsgrad und die oft störende Wärme ist geringer.<br />
b) Permanentmagnete lassen sich nur bis zu einer gewissen Größe noch<br />
wirtschaftlich herstellen; große Motoren müssen das Magnetfeld (durch Spulen<br />
und Strom) selbst erregen.<br />
2. a) Wie kann man sich den hohen Anlaufstrom von <strong>Gleichstrommotor</strong>en erklären?<br />
b) Warum wirkt er störend?<br />
a) Weil die Drehbewegung noch sehr gering ist, entsteht im Rotor nur eine sehr geringe Induktionsspannung. D.h.<br />
diese Gegenspannung kann die äußere Spannung nur sehr wenig schwächen; der Strom ist deshalb im Rotor (bei<br />
rel. geringem ohmschen Widerstand) hoch.<br />
U −U I = ind<br />
R<br />
b) Er belastet das Netz (bzw. die Spannungsquelle), ohne dass der Motor viel Leistung abgibt. (sehr geringer<br />
Wirkungsgrad)<br />
3. Wie ändert man die Drehzahl und die Drehrichtung von <strong>Gleichstrommotor</strong>en?<br />
I. Die Drehzahl ändert man durch Erhöhung der angelegten Spannung (mittels Widerstände oder besser<br />
mittels Stelltrafo, ...).<br />
II. Die Drehrichtung ändert sich, wenn man entweder den Stator- oder den Rotorstrom umkehrt.<br />
4. Welche Aufgaben haben Kommutatoren?<br />
Bei modernen Motoren werden sie oft durch elektronische Kommutatoren ersetzt. Warum?<br />
(commutare = vertauschen) <strong>Der</strong> Kommutator (auch Kollektor) hat die Aufgabe in der Läuferwicklung den<br />
Strom (zum richtigen Zeitpunkt) zu wenden. Da je nach Stromfluss noch Induktionsspannungen in der<br />
Wicklung herrschen können, kommt es zur Funkenbildung ( el.-magn. Störung und Verschleiß). Wenn man die<br />
Rotorstellung (z.B. über Hallsensor) erfasst und dann mit Hilfe einer Leistungselektronik der Strom in den (3)<br />
Statorwicklungen verändert. <strong>Der</strong> Motor wird dadurch wartungsfrei und lässt sich gut regeln.<br />
5. a) Wieso lassen sich bestimmte <strong>Gleichstrommotor</strong>en auch mit Wechselstrom betreiben?<br />
b) Welche Bauart erlaubt dies?<br />
a) Wenn sowohl das Rotor- wie das Statorfeld sich gleichzeitig ändern, bleibt die Kraftrichtung<br />
die gleiche; der Motor hat (fast) die gleichen Eigenschaften wie ein normaler<br />
<strong>Gleichstrommotor</strong>.<br />
b) Da der Strom in Stator- und Rotorfeld gleichphasig sein müssen, kann nur ein Hauptschlussmotor als<br />
Universalmotor arbeiten.<br />
6. a) Wählen Sie für folgende Anwendungsbeispiele einen Neben- oder einen Hauptschlussmotor aus.<br />
b) Kreuzen Sie die Fälle an, wo man heutzutage eher einen frequenzgesteuerten Motor einsetzt.<br />
c) Welche Gründe sprechen für (und gegen) die Variante b) ?<br />
H<br />
N<br />
H<br />
N<br />
H<br />
N<br />
Anlasser für Verbrennungsmotor (große Kraft am Anfang nötig)<br />
Antrieb einer großen Kreiselpumpe (möglichst konst. Drehzahl im Nennbereich)<br />
Motor, um Lasten zu heben<br />
Antrieb für großen Extruder (konstante Drehzahl einhalten)<br />
Straßenbahnmotor<br />
Hauptantrieb einer Werkzeugmaschine<br />
c) größerer Drehzahlbereich, größeres Drehmoment (u.U. kann auf’s Getriebe verzichtet<br />
werden), leichtere Regelbarkeit, keine Gleichstromquelle erforderlich, teuerer.<br />
7. Ordnen Sie mit Linien den Schaltungen den richtigen Namen und die wesentliche Eigenschaft zu.<br />
Hauptschlussmotor<br />
Nebenschlussmotor<br />
Doppelschlussmotor<br />
Fremderregter Motor<br />
8. Wie kühlt man <strong>Gleichstrommotor</strong>en, die mit sehr kleinen Drehzahlen arbeiten?<br />
Sie benötigen eine Fremd- oder eine Wasserkühlung.<br />
großes Anzugsmoment<br />
sehr weiter Drehzahlbereich<br />
lastunabhängige Drehzahl<br />
Motor kann nicht „durchgehen“
<strong>Elektrische</strong> <strong>Maschinen</strong>: <strong>Der</strong> <strong>Gleichstrommotor</strong> 3<br />
9. Sie sollen für eine Kreiselpumpe und für eine Kolbenpumpe den jew. richtigen Hauptschluss- oder (in der<br />
nächsten Stunde zu behandelnden) Drehstrommotor auswählen.<br />
a) Ordnen Sie den folgenden vier skizzierten M-n-Diagrammen die jew. charakterisierte Maschine zu.<br />
b) Worauf müssen Sie bei Ihrer Auslegung der <strong>Maschinen</strong> unbedingt achten?.<br />
a) M Hauptschlussmotor<br />
n<br />
M<br />
Kreiselpumpe<br />
n<br />
M<br />
Kolbenpumpe<br />
n<br />
M<br />
Drehstrommotor<br />
b) Die Nennwerte (Nenndrehmoment und Nenndrehzahl) müssen bei Pumpe und Motor möglichst beieinander<br />
liegen.<br />
Die Drehmomentkennlinie der Pumpe muss (von n 0 bis n Nenn ) weit genug unterhalb der des Motors liegen, sonst<br />
„schafft’s der Motor nicht, bis zur Nenndrehzahl“.<br />
(Also Achtung bei der Kolbenpumpe, die unter Last angefahren werden muss. Nicht jeder el. Antrieb ist hier<br />
geeignet. Ein Drehstrom-Asynchron-Motoren {vgl. nächstes Thema} könnte hier evtl. ohne zusätzliche<br />
Maßnahmen nicht anlaufen.)<br />
10. Wie kann man mit (Gleichstrom-)Motoren betriebene Anlagen el. bremsen?<br />
Motor als Generator arbeiten lassen:<br />
o Strom in einem Widerstand „verbraten“ (wie bei der Straßenbahn)<br />
o Strom ins Netz zurückliefern (wie bei einer Bergbahn)<br />
n<br />
... weil noch Platz ist, hier ....<br />
... ein verschlissener Kommutator<br />
Kollektor<br />
Kohle-Bürste<br />
... ein bürstenloser Außenläufermotor eines Festplattenantriebs<br />
innen: elektronisch kommutierte Spulen, feststehend<br />
außen: rotierender Permanentmagnet<br />
stufenlos für verschiedene Belastungen, Drehzahlen und Drehrichtungen regelbarer Motor<br />
Hallsensor nötig<br />
hohes Drehmoment, guter Wirkungsgrad, verschleiß“frei“<br />
... ein althergebrachter (neuer)<br />
DC-Motor, 600 kW<br />
(6-polig, mit Thyristoren zur<br />
Stromgleichrichtung)<br />
für ’ne ...<br />
russische Walzstraße oder ’ne österreichische Seilbahn