UE 15 Elektromotor - Werken-technik.de
UE 15 Elektromotor - Werken-technik.de
UE 15 Elektromotor - Werken-technik.de
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Heiner Prüser<br />
Arbeitshilfen für erfolgreichen Technikunterricht<br />
<strong>UE</strong> <strong>15</strong> <strong>Elektromotor</strong><br />
Gleichstrommotor Typ A<br />
www.werken-<strong>technik</strong>.<strong>de</strong><br />
8/2010
Konzeption <strong>de</strong>r Unterrichtseinheit<br />
<strong>Elektromotor</strong>en im Technikunterricht: Nichts Neues sollte man meinen, Veröffentlichungen<br />
zu diesem Thema gibt es schon in großer Zahl.<br />
Das Thema fasziniert immer wie<strong>de</strong>r neue Schülergenerationen; es grenzt ja auch fast an<br />
ein Wun<strong>de</strong>r, aus etwas Blech und Kupferlackdraht ein mechanisches Gebil<strong>de</strong> zu bauen,<br />
das sich schneller dreht als das Auge erkennen kann.<br />
Wer dieses Thema im Technikunterricht mehrere Male mit Schülern behan<strong>de</strong>lt hat, lernt<br />
immer neue technologische Lösungen kennen, fin<strong>de</strong>t neue Materialien, die die<br />
Konstruktion erleichtern.<br />
Unsere Schüler wären überfor<strong>de</strong>rt, wenn wir von ihnen erwarten wür<strong>de</strong>n, wesentliche Teile<br />
<strong>de</strong>s <strong>Elektromotor</strong>s zu erfin<strong>de</strong>n. Um sie vor Misserfolgserlebnissen beim Bau weitgehend<br />
zu bewahren, brauchen sie eine Reihe von Hilfen.<br />
Trotz<strong>de</strong>m sollen nicht alle Motoren nach <strong>de</strong>mselben Konzept genau baugleich wer<strong>de</strong>n; die<br />
Schüler sollen auch einen ihren Fähigkeiten entsprechen<strong>de</strong>n Motortyp bauen können.<br />
Der im Folgen<strong>de</strong>n beschriebene Motortyp A geht von einer Form <strong>de</strong>s Ankers aus, die in<br />
<strong>de</strong>n äußerlichen Merkmalen <strong>de</strong>n meisten industriell gefertigten Motorankern ähnelt: Der<br />
Anker ist länglich und weist einen geringen Querschnitt auf. Durch die Form bedingt ist<br />
eine relativ große Fläche gegeben, an <strong>de</strong>r die magnetischen Kräfte von Stator und Anker<br />
wirksam wer<strong>de</strong>n. Dieser Motortyp weist eine hohe Umdrehungszahl auf. Sein großer<br />
Vorteil liegt in <strong>de</strong>r einfachen (und bis auf das Löten narrensicheren) Konstruktion <strong>de</strong>s<br />
Anker-Eisenkernes aus Schweißdraht. Er lässt sich auch in Miniaturgrößen herstellen und<br />
weist dann <strong>de</strong>n geringsten Materialbedarf auf.<br />
Wer sich für die Motortypen B o<strong>de</strong>r C entschei<strong>de</strong>t, sollte zunächst mit <strong>de</strong>r Bau <strong>de</strong>s Stators<br />
beginnen: Schwache Schüler mit Stator A, handwerklich geschickte mit Stator C. Je nach<br />
Gelingen <strong>de</strong>r dafür benötigten Blechschnei<strong>de</strong> und -abkantarbeiten sollte dann <strong>de</strong>r<br />
Schwierigkeitsgrad bei <strong>de</strong>r Ankerform gewählt wer<strong>de</strong>n.<br />
Material<br />
- Eisenblech von ca. 1mm Stärke (Gibt es umsonst aus <strong>de</strong>m Schrottabfall bei<br />
Schlossereien, Herstellern von Stahltüren,...)<br />
Schweißdraht 2,3 und 4 mm Durchmesser (Achse, Anker)<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
- Kupferwickeldraht 0,3 mm Durchmesser (Versandhan<strong>de</strong>l)<br />
- Grundplatten aus Holz<br />
- Kleinmaterial: Messingröhrchen mit 4 mm Innendurchmesser, Bronzefe<strong>de</strong>rband,<br />
Isolierband, Kreppband, Holzschrauben<br />
Werkzeug<br />
Hebelblechschere (Anschlag selbst bauen)<br />
leistungsfähige Lötkolben (mmd. <strong>15</strong>0 Watt)<br />
Seite 2
Lernziele <strong>de</strong>r Unterrichtseinheit / Unterrichtsverlauf<br />
Lernziele <strong>de</strong>r Unterrichtseinheit<br />
a) Kennenlernen <strong>de</strong>s Funktionsprinzips eines Zweipol-Gleichstrommotors mit Stromwen<strong>de</strong>r<br />
- Wie<strong>de</strong>rholung Magnetismus,<br />
Elektromagnetismus (Zusammenhang Stromfluss - Magnetfeldrichtung)<br />
- Wirkungsweise <strong>de</strong>s Stromwen<strong>de</strong>rs<br />
b) Bau eines funktionstüchtigen Gleichstrommotors<br />
- Kennenlernen, anwen<strong>de</strong>n, üben verschie<strong>de</strong>ner Techniken <strong>de</strong>r Metallbearbeitung<br />
und -verbindung:<br />
Unterrichtsverlauf (ca. 20 Stun<strong>de</strong>n)<br />
Motivationsphase:<br />
Sachinformation:<br />
Vorführen mehrerer Motormo<strong>de</strong>lle (soweit vorhan<strong>de</strong>n),<br />
Erklärungsversuche <strong>de</strong>r Schüler zum Funktionsprinzip<br />
Elektromagnetismus<br />
<strong>Elektromotor</strong>isches Prinzip (Faraday)<br />
Funktionsweise <strong>de</strong>s Gleichstrommotors mit Stromwen<strong>de</strong>r<br />
Umpolzeitpunkt, Bauweise <strong>de</strong>s Stromwen<strong>de</strong>rs<br />
Werkarbeit:<br />
Die Schüler entschei<strong>de</strong>n sich für einen Motortyp, beginnen mit <strong>de</strong>m<br />
Bau <strong>de</strong>s Stators (Typ A, C) bzw. <strong>de</strong>s Ankers (Typ B)<br />
Bei auftreten<strong>de</strong>n Problemen wer<strong>de</strong>n weitere Informationsphasen<br />
(Wie<strong>de</strong>rholung) eingeschoben.<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
Seite 3
Grundlagen Magnetismus<br />
Stabmagnet<br />
Hufeisenmagnet<br />
N<br />
N<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
N N N<br />
Der Stabmagnet ist drehbar gelagert. Bewegung?<br />
N<br />
Seite 4
Sachinformation<br />
Elektromagnetismus<br />
-<br />
N<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
-<br />
S<br />
-<br />
Der Däne Hans Christian Oerstedt ent<strong>de</strong>ckte<br />
1820 einen Zusammenhang zwischen<br />
Magnetismus und Elektrizität:<br />
Er schickte elektrischen Strom aus einer Batterie<br />
durch einen dünnen Leiterdraht; eine danebenstehen<strong>de</strong><br />
Kompassna<strong>de</strong>l wur<strong>de</strong> dabei<br />
durch das entstehen<strong>de</strong> ringförmige Magnetfeld<br />
abgelenkt.<br />
Än<strong>de</strong>rt man die Stromrichtung, kehrt sich das<br />
Magnetfeld um.<br />
Der Franzose Ampère ent<strong>de</strong>ckte bald darauf,<br />
dass ein zu einer Spule gewickelter Leiterdraht<br />
ein Magnetfeld wie ein Stabmagnet besitzt.<br />
Kehrt man die Stromrichtung um, wird auch das<br />
Magnetfeld umgepolt.<br />
Die Stärke <strong>de</strong>s Magnetfel<strong>de</strong>s nimmt mit <strong>de</strong>r<br />
Stromstärke und <strong>de</strong>r Wicklungszahl zu.<br />
N<br />
S<br />
Durch einen Weicheisenkern in <strong>de</strong>r Spule<br />
vervielfacht sich die magnetische Feldstärke,<br />
ohne dass die Stromstärke erhöht wer<strong>de</strong>n muss.<br />
-<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
-<br />
+<br />
-<br />
+<br />
+<br />
N<br />
-<br />
S<br />
Ein ring- o<strong>de</strong>r hufeisenförmiger Eisenkern erzeugt<br />
mit Hilfe einer Spulenwicklung ein sehr starkes<br />
Magnetfeld.<br />
Am stärksten ist das Magnetfeld zwischen <strong>de</strong>n<br />
Polen ausgeprägt.<br />
Das Magnetfeld übt Kräfte auf bewegte<br />
Elektronen (Strom im Leiterdraht) aus, wenn ihre<br />
Bewegungsrichtung quer zum Magnetfeld erfolgt:<br />
Die Leiterschaukel wird ausgelenkt.<br />
Fließt <strong>de</strong>r Strom im Leiterdraht in die an<strong>de</strong>re<br />
Richtung, so wird auch <strong>de</strong>r Leiterdraht in die<br />
an<strong>de</strong>re Richtung abgelenkt.<br />
Seite 5
Demonstrationsfolie<br />
Elektromagnetismus<br />
-<br />
+<br />
-<br />
1820 Oerstedt<br />
Stromrichtung - Magnetfeld<br />
N<br />
+<br />
+<br />
S<br />
1820 Ampère<br />
Magnetfeld bei <strong>de</strong>r Spule<br />
+<br />
-<br />
N<br />
-<br />
S<br />
1820 Arago / Gay-Lussac<br />
Spule mit Eisenkern<br />
-<br />
N<br />
1825 Sturgeon<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
+<br />
-<br />
+<br />
+<br />
-<br />
S<br />
u-förmiger Elektromagnet<br />
1831 Faraday<br />
<strong>Elektromotor</strong>isches Prinzip<br />
Seite 6
Funktionsprinzip <strong>de</strong>s Gleichstrommotors<br />
Gleichstrommotor mit Zweipolanker<br />
+<br />
S<br />
Anker (Rotor)<br />
Stator<br />
+<br />
Stromwen<strong>de</strong>r mit<br />
Schleifkontakten<br />
-<br />
-<br />
+ - + -<br />
Ankerwicklung<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
Stromwen<strong>de</strong>r<br />
mit<br />
Schleifkontakten<br />
schematische<br />
Darstellung <strong>de</strong>r<br />
Ankerwicklung<br />
Seite 7
Demonstrationsfolie<br />
Entstehung <strong>de</strong>r Drehbewegung<br />
Am Stator liegt Gleichspannung an. Es entsteht ein stabiles Magnetfeld<br />
wie beim Hufeisenmagneten.<br />
+<br />
N<br />
S<br />
+<br />
S<br />
N<br />
Stator<br />
Anker (Rotor)<br />
Stator<br />
-<br />
S<br />
-<br />
S<br />
N<br />
N<br />
+<br />
Unterschiedliche Pole ziehen sich an.<br />
Es entsteht eine Drehbewegung im<br />
Uhrzeigersinn.<br />
-<br />
+<br />
Nord- und Südpole stehen sich gegenüber.<br />
Durch <strong>de</strong>n entstan<strong>de</strong>nen Schwung dreht<br />
sich <strong>de</strong>r Rotor jedoch weiter.<br />
-<br />
+<br />
S<br />
S<br />
+<br />
S<br />
S<br />
Stator<br />
Stator<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
-<br />
+<br />
Jetzt wird <strong>de</strong>r Stromfluss im Rotor durch<br />
die Schleifkontakte umgepolt. Gleichnamige<br />
Pole stehen sich gegenüber und stoßen sich ab.<br />
N<br />
N<br />
-<br />
-<br />
+<br />
N<br />
N<br />
Nach einer weiteren halben Umdrehung<br />
wird erneut umgepolt, usw...<br />
-<br />
Seite 8
Schülerarbeitsblatt 1<br />
Gleichstrommotor<br />
3<br />
2<br />
5<br />
1<br />
4<br />
5<br />
Die Motorteile:<br />
1 Stator<br />
2 Anker (Rotor)<br />
3<br />
4<br />
5<br />
Stromwen<strong>de</strong>r (Umpoler)<br />
Schleifkontakte (fe<strong>de</strong>rnd)<br />
Ankerlager<br />
1<br />
5<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
2<br />
3<br />
5<br />
Seite 9
Schülerarbeitsblatt 2<br />
Rotor aus Schweißdraht<br />
Stromwen<strong>de</strong>r aus Messingröhrchen<br />
Schweißdraht 3 mm<br />
Klebeband zur Isolierung befin<strong>de</strong>t sich unter <strong>de</strong>n<br />
Messingrohrhälften. Außer<strong>de</strong>m wer<strong>de</strong>n die Stromwen<strong>de</strong>r<br />
mit Klebeband von außen auf <strong>de</strong>r Achse fixiert.<br />
Der Anker besteht aus einem Eisenkern<br />
mit einer Spulenwicklung.<br />
Der Eisenkern wird aus 5 Schweißdrahtstücken<br />
zusammengelötet.<br />
Die Wicklung erfolgt mit Spulenwickeldraht<br />
von 0,3 mm Durchmesser.<br />
Maße <strong>de</strong>s Eisenkerns aus Schweißdraht mit 3 mm Durchmesser<br />
Messingröhrchen Lötstelle<br />
Wickeldraht<br />
Klebeband zur Isolierung<br />
unter <strong>de</strong>n Messingrohrhälften<br />
<strong>15</strong>0<br />
60<br />
80<br />
Säge mit einer Eisensäge die Schweißdrahtstücke ab (Maße siehe Zeichnung). Achte darauf, dass die Achse<br />
(ca. <strong>15</strong>0 mm lang) völlig gera<strong>de</strong> ist und bleibt. Befestige die 5 Schweißdrähte mit Nägeln auf einer<br />
Holzunterlage und löte sie dann mit einem leistungsfähigen Lötkolben zusammen. (Schweißdraht vorher mit<br />
Schmirgelpapier säubern; Lötstellen mit Lötfett versehen.)<br />
Beseitige nach <strong>de</strong>m Löten eventuelle scharfe Kanten am Eisenkern und klebe ihn im Bereich <strong>de</strong>r<br />
Ankerwicklung mit Ablebeband (z.B. Tesakrepp) ab, damit die Lackschicht <strong>de</strong>s Wickeldrahtes nicht an<br />
scharfen Kanten beschädigt wird.<br />
Ankerwicklung: Lasse <strong>de</strong>n Anfang <strong>de</strong>r Spulenwicklung einige Zentimeter herausstehen und wickle zunächst<br />
die eine Seite <strong>de</strong>r Ankerspule, bis <strong>de</strong>r Hohlraum zwischen <strong>de</strong>n Schweißdrähten gefüllt ist. Wechsle dann auf<br />
die an<strong>de</strong>re Ankerhälfte und wickle in <strong>de</strong>rselben Richtung weiter, bis auch hier die gleiche Menge<br />
Wickeldraht aufgewickelt ist. Isoliere bei<strong>de</strong> En<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Ankerwicklung ab und löte sie am Stromwen<strong>de</strong>r mit<br />
möglichst wenig Lötzinn fest.<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
Stromwen<strong>de</strong>r:<br />
Stellung <strong>de</strong>r<br />
Messingröhrchen<br />
halbiertes Messingröhrchen Isolierung<br />
Isolierung<br />
Säge ein Messingröhrchen mit 4 mm Innendurchmesser<br />
in zwei Hälften. Am Rand je ein En<strong>de</strong> <strong>de</strong>r<br />
Spulenwicklung anlöten. (Grate mit Feile entfernen)<br />
Achse zur Isolierung mit Abklebeband umwickeln,<br />
Messingrohrhälften in richtiger Stellung (davon ist<br />
<strong>de</strong>r Zeitpunkt <strong>de</strong>r Umpolung <strong>de</strong>r Stromrichtung abhängig)<br />
aufdrücken und mit Abklebeband an <strong>de</strong>n<br />
En<strong>de</strong>n auf <strong>de</strong>r Achse festkleben.<br />
Seite 10
Schülerarbeitsblatt 3<br />
Bau <strong>de</strong>s Stators<br />
Frontal-dimetrische Darstellung Maßstab 1:1<br />
Schraube M4 (40 - 60 mm lang)<br />
Der Stator wird aus zwei L-förmig abgekanteten Eisenblechen (Maße siehe unten) zusammengesetzt und<br />
mit 2 Schrauben fest verschraubt. Diese Schrauben ermöglichen gleichzeitig die einfache Befestigung in<br />
<strong>de</strong>r Grundplatte <strong>de</strong>s Motors.<br />
Eisenblech für <strong>de</strong>n Stator<br />
30<br />
ca. 5 mm Bohrung<br />
80<br />
20<br />
L-förmig abgekantetes<br />
Eisenblech mit<br />
Bohrungen<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
Die Maße <strong>de</strong>s Bleches mit <strong>de</strong>r Reißna<strong>de</strong>l anreißen. Die Bohrungen für die Schraubverbindung (Schrauben -<br />
durchmesser 3,8 mm) wer<strong>de</strong>n größer gewählt, um Ungenauigkeiten beim Anreißen und Bohren<br />
auszugleichen. Das Blech an <strong>de</strong>r - - Linie im Winkel abkanten (Abkantvorrichtung / Schraubstock und<br />
Hammer). Zum Schluss alle Blechkanten mit <strong>de</strong>r Feile entgraten.<br />
Beachte: Das zweite Blech muss ein Seitenteil mit etwas geringerer Höhe haben (ca.1 - 2 mm), da es mit<br />
seinem Unterteil auf <strong>de</strong>m ersten Seitenteil aufliegt.<br />
Die 2 Statorteile wer<strong>de</strong>n mit 2 Schrauben M4 zusammengefügt, <strong>de</strong>r Stator im unteren Bereich an <strong>de</strong>n<br />
Kanten mit Klebeband abgekleben, damit <strong>de</strong>r Spulenwickeldraht nicht beschädigt wird.<br />
Dann die Statorwicklung aufbringen (etwa die gleiche Menge Kupferlackdraht wie beim Rotor), die En<strong>de</strong>n<br />
abisolieren und <strong>de</strong>n Elektromagneten überprüfen (ca. 10 V).<br />
Seite 11
Schülerarbeitsblatt 4<br />
Endmontage<br />
3<br />
2<br />
5<br />
1<br />
4<br />
5<br />
Die Motorteile:<br />
1 Stator<br />
2 Anker (Rotor)<br />
3<br />
4<br />
5<br />
Stromwen<strong>de</strong>r (Umpoler)<br />
Schleifkontakte (fe<strong>de</strong>rnd)<br />
Ankerlager<br />
5<br />
Ankerlager<br />
1<br />
Stator<br />
Bohrung 3,2 mm<br />
Für das Ankerlager schnei<strong>de</strong>t man zwei schmale<br />
Blechstreifen zu und versieht sie mit zwei<br />
Bohrungen für die Holzschrauben zur Befestigung<br />
auf <strong>de</strong>r Grundplatte. (ca. 3 - 4 mm Durchmesser<br />
je nach ausgewählter Befestigungsschraube)<br />
H. Prüser: Technikunterricht <strong>UE</strong> <strong>15</strong><br />
Bohrungen 3,5 mm<br />
Mit Hilfe von zwei Bohrungen 3,5 mm<br />
wird <strong>de</strong>r Stator ganz einfach auf <strong>de</strong>r<br />
Grundplatte befestigt:<br />
Da die Schrauben einen Durchmesser<br />
von ca. 3,8 mm haben, kann man sie<br />
einfach mit ein paar Hammerschlägen<br />
in die Bohrungen hineindrücken.<br />
(Zum Schutz <strong>de</strong>s Stators ein Brettchen<br />
oben auflegen.)<br />
4<br />
Das Achslager erhält eine Bohrung von 3,2 mm.<br />
Steht dieser Bohrerdurchmesser nicht zur Verfügung,<br />
macht man eine 3 mm-Bohrung und<br />
erweitert diese vorsichtig mit einem Dreikanthohlschaber.<br />
Schleifkontakte<br />
Die Schleifkontakte müssen einen optimalen<br />
Andruck gewähren. Ob dieser erreicht wird, überprüft<br />
man durch Verstärken <strong>de</strong>s Andruckes /<br />
Entlasten <strong>de</strong>s Andruckes per Hand.<br />
Seite 12