2.4.1 Kondensatormotor - Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und ...

Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Mechatronik
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. S. Kulig
Praktikumsversuch
BEET 05
Kleinmaschinen
c○ LS-EAM (2009)

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 1
1 Einleitung
Elektrische Maschinen werden häufig in drei Klassen eingeteilt: in Maschinen
großer, mittlerer und kleiner Leistung. Diese Klassen, die sich außer durch die
Leistung auch durch besondere Eigenschaften, Ausführungsarten und
Fertigungsverfahren der Maschinen unterscheiden, gehen fließend ineinander über.
Die obere Leistungsgrenze von Kleinmaschinen nimmt man gewöhnlich bei einer
abgegebenen Leistung von 1 kW an.
Folgende, typische Merkmale sind für Kleinmaschinen kennzeichnend:
Es handelt sich um Motoren zum Antreiben von Geräten, die zu den
Verbrauchsgütern zählen. Daher muß die Herstellung kostengünstig sein. So zielt
der Entwurf vor allem auf eine optimale Fertigung und hohen Automatisierungsgrad
bei der Produktion ab. Dem Wirkungsgrad kommt nur eine untergeordnete
Bedeutung zu.
Neben den für Konsumgüter bestimmten Kleinmotoren gibt es hochwertige
Maschinen mit optimalem Leistungsgewicht, hohem Wirkungsgrad, langer
Lebensdauer und extremen Drehzahlen. Sie werden in Geräten der
Datenverarbeitung, der gehobenen Unterhaltungselektronik, Medizintechnik oder der
Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt.
Aufgrund ihrer großen Stückzahlen haben Kleinmotoren eine große wirtschaftliche
Bedeutung. Heute sind in einem Haushalt im Mittel 70 Kleinmotoren im Einsatz.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 2
2 Ein- und Zweiphasenasynchronmaschine
Dreiphasen-Asynchronmaschinen (ASM) haben wegen ihres einfachen und
robusten Aufbaus eine große Verbreitung gefunden. Das macht diesen
Maschinentyp auch für Kleinantriebe interessant, und zwar unter der Voraussetzung,
ihn an 1-Phasen-Wechselspannung betreiben zu können.
2.1 Aufbau
Sowohl die 3-Phasen-ASM als auch die 1- und 2-Phasen-ASM besitzen einen
feststehende Teil (Ständer, Stator) und einen drehbar gelagerten Teil (Rotor, bei
Gleichstrommaschine: Anker). Der Ständer trägt Kupferwicklungen/Kupferspulen zur
Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes. Der Rotor besteht häufig aus einem
Aluminiumkäfig. Die Stäbe des Käfigs sind über zwei Kurzschlussringe an den
Enden elektrisch kurzgeschlossen (Käfigläufer).
Bild 1: Stator und Käfigläufer einer Asynchronmaschine

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2.2 Wirkungsweise einer Drehstrom-Asynchronmaschine
Sowohl die Ein- und Zweiphasenasynchronmaschinen als auch die
Drehstromasynchronmaschinen zählen zu den sog. Induktionsmaschinen. Zum
grundsätzlichen Verständnis der Wirkungsweise eines Ein- und
Zweiphasenasynchronmotors ist es daher sinnvoll, die Drehstrom-
Asynchronmaschine (ASM, DASM) zu kennen. Deshalb werden hier nochmals die
grundlegenden physikalischen Zusammenhänge einer DASM kurz erläutert.
2.2.1 Drehfeld
Entscheidend für die Funktion einer Asynchronmaschine ist ein Drehfeld (daher
auch der Begriff Drehfeldmaschine). Dies wird durch die stromdurchflossenen
Wicklungen im Stator erzeugt. Zur Erzeugung eines Drehfeldes müssen vorhanden
sein:
• Wicklungen im Ständer des Motors, welche um 120°/p (p:Polpaarzahl) räumlich
zueinander verdreht sind.
• Speisung der Wicklungen mit Dreiphasendrehstrom (drei um 120° zeitlich
phasenverschobene Wechselstromsysteme).
Die Drehstromwicklung ist so angeordnet, dass bei Speisung der einzelnen
Wicklungen mit Gleichstrom unterschiedlicher Amplitude ein quasi-sinusförmiges
magnetisches Feld im Luftspalt entsteht. Dieses Feld besitzt dann 2p Pole bzw. p
Polpaare. Durch die Speisung mit Drehstrom wandert das Feld um den Umfang der
Maschine.
Bild 2: Verlauf eines Drehfeldes mit p=1 zu drei verschiedenen Zeitpunkten

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Drehfeld: Ein periodisch veränderliches Feld, bei dem die
räumliche Lage der Nullstellen und Maxima zeitlich
veränderlich ist, heißt Drehfeld.
Wechselfeld: Ein periodisch veränderliches Feld, bei dem die Lage
der Nullstellen und Maxima räumlich nicht veränderlich
ist, heißt Wechselfeld.
Ein Wechselfeld läßt sich durch zwei gegensinnig
laufende Drehfelder mit gleicher Amplitude
Elliptisches Drehfeld:
beschreiben.
Zwei gegensinnig laufende Drehfelder mit unterschiedlicher
Drehfeld.
Amplitude erzeugen ein elliptisches
Kreisdrehfeld: Zwei unterschiedlich schnell und gleichsinnig laufende
Drehfelder mit unterschiedlicher oder gleicher
Tabelle 1: Dreh- und Wechselfelder
B1
ω1
B2
ω1
ω1
Br
Amplitude erzeugen ein Kreisdrehfeld.
B1
ω1 ω1
Bild 3: a) Kreisdrehfeld b) elliptisches Feld c) Wechselfeld
Br
ω1
B2
B1
B2
Br
ω1

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 5
Die Geschwindigkeit ω, mit der das Drehfeld am Umfang rotiert, ergibt sich aus der
Anzahl der Polpaare p und der elektrischen Frequenz f des Stromes:
wsyn = 2 p f/p
Wird z.B. eine zweipolige (=1 Polpaar) Maschine mit f=50Hz gespeist, so rotiert das
Drehfeld mit ω=314,2 1/s. Häufig wird jedoch nicht die Winkelgeschwindigkeit,
sondern die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) verwendet. Sie wird
synchrone Drehzahl bzw. Drehfelddrehzahl genannt:
nsyn = f/p
Für dieses Beispiel ergibt sich eine synchrone Drehzahl von n=50Hz=3000U/min.
Eine 4-polige Maschine mit f=50Hz besitzt demzufolgen eine Drehfelddrehzahl
n=1500U/min, etc.

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Bild 3a): Enstehung eines Drehfeldes durch eine Zweiphasenwicklung

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 7
Die Wirkungsweise einer Asynchronmaschine kann man nun wie folgt erklären:
Stator erzeugt ein Drehfeld mit wsyn = 2 p f/p
Drehfeld durchsetzt den Rotor Æ Spannungsinduktion im Rotor
Rotorstäbe kurzgeschlossen Æ Stromfluß im Rotor
Statorfeld + Stromfluss im Rotor = Kraft auf Rotorwicklungen
Maschine entwickelt Drehmoment und beschleunigt
Bei Lauf mit Drehfeld-Drehzahl nsyn Æ keine Spannungsinduktion im Rotor
kein Rotorstrom Æ keine Kraft bzw. kein Drehmoment
Maschine wird durch innere Reibung oder durch Last gebremst
es stellt sich eine Drehzahl n < nsyn ein, bei der die Maschine das erforderliche Drehmoment liefert
Tabelle 2: Prinzipielle Wirkungsweise einer Asynchronmaschine
Aus der Bedingung, dass die Drehzahl des Rotors nmech hinter der synchronen
Drehzahl des Drehfeldes nsyn zurückbleiben muß, resultiert auch die Bezeichnung
Asynchronmaschine.
Um die Drehzahl von Maschinen unterschiedlicher Polpaarzahlen vergleichbar zu
machen, wird die normierte Größe Schlupf s eingeführt. Der Schlupf ist definiert als
Differenz zwischen mechanischer Drehzahl und synchroner
Drehzahl/Drehfelddrehzahl, und zwar bezogen auf die synchrone Drehzahl:
f
s
=
− f
f
syn
syn
nsyn
− n
⋅100%
= ⋅100%
n
syn

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 8
Der (stationäre) Drehzahl-Drehmomenten-Verlauf einer ASM:
Bild 5: Drehzahl-Drehmomentenkennline (M-n-Kennlinie) einer ASM
Die ASM hat ein maximales Moment (Kippmoment) Mk, welches beim Kippschlupf sk
auftritt. Sind diese beiden Größen bekannt, so kann der Drehzahl-Drehmomenten-
Verlauf durch die Kloss´sche Formel beschrieben werden:
M
=
2 M k
sk
s
+
s s
k
→ n

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 9
2.3 Einphasenmotor
Ein Einphasenmotor trägt eine Wechselstromwicklung im Stator und wird mit
Wechselstrom betrieben. Daher wird im Luftspalt ein Wechselfeld erzeugt. Wie
bereits gezeigt, läßt sich ein Wechselfeld in zwei gegensinnig laufende Drehfelder
zerlegen. Folglich kann man die Wirkung eines Einphasenasynchronmotors
beschreiben als zwei gegensinnig laufende Drehfeldmaschinen gleicher Leistung an
einer Welle. Die Drehzahl-Drehmomentenkennlinie erhält man dann aus der
Addition der Kennlinien der beiden Asynchronmaschinen (Mres=MI+MII).
-ns
Bremse I M Motor I Generator I
MII
0
Generator II Motor II Bremse II n s : synchrone Drehzahl
s I : Schlupf des Motors I
s II : Schlupf des Motors II
Bild 6: Drehzahl-Drehmomentenverlauf (Mres) eines Einphasenasynchronmotors
Wie der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie zu entnehmen ist, entwickelt die
Maschine kein Anzugsmoment (M(n=0)=0), d.h. die Maschine läuft nicht selbständig
an. Sie muß angeworfen werden (Anwurfmotor) und dreht sich dann in die jeweilige
Anwurfrichtung. Allerdings erst wenn ein Motor selbständig anlaufen kann, ist er für
die Praxis brauchbar. Dazu muß (s.o.) vom Ständer ein Kreis- oder ein elliptisches
Drehfeld erzeugt werden. Hierfür wird der 1-Phasen-Motor mit einem zusätzlichen
Strang (Hilfsstrang) ausgeführt (zweite Phase → 2-Phasen-Motor, Zweistrangmotor).
MI
= ˆ sII
Mres
n
= ˆ sI
ns
n

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 10
2.4 Zweiphasenmotor
Der Zweiphasenmotor besitzt zwei Wicklungen, welche bei Speisung mit 90 O
phasenverschobenen Strömen in der Lage sind, ein elliptisches bzw. ein
Kreisdrehfeld zu erzeugen. Da der Motor jedoch nur von einem Einphasennetz
gespeist werden kann, besteht das Problem darin, in den Wicklungen eine
Phasenverschiebung der Ströme um 90∞ zu erzielen. Dies kann man mit einem
Kondensator erzielen, welcher zu einer der beiden Wicklungen (i.d.R. zur
Hilfswicklung) in Reihe geschaltet wird. Weil die Wicklungsimpedanzen
schlupfabhängig sind, läßt sich das ideale Kreisdrehfeld nur in einem bestimmten
Betriebspunkt erreichen. In diesem Punkt verhält sich eine zweisträngige Wicklung
wie ein Dreiphasen-Asynchronmotor. Für alle anderen Betriebspunkte ergibt sich ein
elliptisches Drehfeld.
Für die Beschaltung zweisträngiger Motoren gibt es drei Möglichkeiten:
M
~
1.
2.
CB
M
~
CA
Bild 7: Beschaltungen zweisträngiger Motoren
CA
CB
UN UN UN
M ~
CA = Anlauf-Kondensator
CB = Betriebs-Kondensator
Anstelle eines Kondensators kann auch ein Widerstand
(Widerstandshilfstrangmotor) oder eine Induktivität in Reihe zur Hilfswicklung
gelegt werden. In der Praxis wird jedoch am häufigsten der Kondensatormotor
eingesetzt.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 11
2.4.1 Kondensatormotor
Am häufigsten schaltet man Kondensatoren in Reihe zur Hilfswicklung und kann
damit eine optimale Phasenverschiebung von 90° erreichen, jedoch nur für einen
einzigen Betriebspunkt. Ein Betriebskondensator CB bleibt dauernd eingeschaltet. Ist
ein hohes Anzugsmoment erwünscht, schaltet man einen zweiten Kondensator,
einen sogenannten Anlaßkondensator CA, parallel zum Betriebskondensator. Der
Anlaßkondensator wird nach erfolgtem Hochlauf, etwa bei Erreichen des
Kippmomentes, durch ein Relais oder einen Fliehkraftschalter abgeschaltet. Oft
sieht man auch nur einen abschaltbaren Anlaßkondensator vor. Der nach dem
Abschalten des Hilfsstranges einsträngig wirkende Motor dreht sich ja in der
Anlaufrichtung weiter.
2.4.2 Widerstandshilfsstrangmotor
In einigen Fällen wird der Wirkwiderstand des Hilfsstranges gegenüber dem des
Hauptstranges künstlich erhöht. Dazu legt man entweder einen ohmschen
Widerstand in Serie zur Hilfswicklung oder verwendet für die Hilfswicklung
Widerstandsdraht. Wegen der hohen Stromwärmeverluste im Hilfsstrang wird dieser
abgeschaltet, wenn der Motor angelaufen ist. Der Widerstandshilfsstrang-Motor ist
zwar kostengünstiger und noch robuster als der Kondensator-Motor, bei dem der
Kondensator eher zu Ausfällen führt, erreicht aber nicht dessen große
Phasenverschiebung.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 12
3 Spaltpolmotor
3.1 Aufbau
Auch beim Spaltpolmotor wird die Idee verfolgt, aus 1-Phasen-Wechselspannung
ein Drehfeld bzw. ein elliptisches Feld zu erzeugen. Dabei wird eine Bauform nach
Bild 8b) gewählt. Die Hauptwicklung (Spule) sitzt auf dem Eisenkern. Die
Hilfswicklung besteht aus kurzgeschlossenen Kupferringen, die jeweils einen Teil
des Pols (Spaltpol) umschließen. Der Rotor wird als herkömmlicher Kurzschlußläufer
- meist mit Aluminiumkäfig - ausgeführt. Häufig ist ein Lüfter vorgesehen, da die
Stromwärmeverluste - vor allem in der Kurzschlußwicklung - beträchtlich sind.
Spaltpolmotoren werden in großen Stückzahlen für kleine Leistungen (bis ca. 100W)
produziert. Man unterscheidet den symmetrischen (Haupt- und Hillspol gleich groß)
und den asymmetrischen Aufbau (s. Bild 8b). Der asymmetrische Aufbau ist
besonders leicht zu fertigen. Hier lassen sich aber nur 2-polige Maschinen bauen.
a) Der Motor treibt den Ventilator in einer
Tiefkühltruhe an.
Bild 8: Spaltpolmotor
b) Prinzipieller Aufbau eines asymmetrischen
Spaltpolmotors

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3.2 Wirkungsweise des Spaltpolmotors
Der Spaltpolmotor wird am 50 Hz bzw. 60 Hz Wechselstromnetz betrieben. Daher
fließt durch das Eisen und durch die Pole ein magnetischer Wechselfluß. In den
Kurzschlußringen wird demzufolge eine Spannung induziert (Induktionsgesetz). Im
Kurzschlußring fließt ein Strom. Dieser Strom erzeugt ebenfalls ein magnetisches
Feld, welches dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt ist (Lenz´sche Regel).
Daher löscht das Magnetfeld des Ringes den Fluß durch den Spaltpol, so dass nur
noch ein Fluß durch den Hauptpol verläuft. Wird der Hauptfluß zu Null, so fließt noch
Strom durch den Kurzschlußring und erzeugt einen Fluß, der durch den Spaltpol
verläuft. Dieser Fluß ist deutlich kleiner als der maximale Hauptfluß.
t=0 t=π/4
Bild 9: Verlauf des Magnetflußes beim Spaltpolmotor
Das Bild verdeutlicht, dass sich der Fluß durch den Rotor eines Spaltpolmotors
zeitlich und räumlich verändert. Es entsteht ein stark elliptisches Drehfeld. Dies
reicht aber aus, damit der Motor selbständig hochläuft.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 14
4 Universalmotor
Universalmotoren sind, genau wie Gleichstrommaschinen, Kommutatormaschinen.
Sie lassen sich sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betreiben. Ihre
Drehzahl ist unabhängig von der Netzfrequenz. Deshalb lassen sich auch wesentlich
größere Drehzahlbereiche als bei Asynchronmotoren oder bei Spaltpolmotoren
erreichen. Die Drehzahlstellung ist recht unkompliziert (Veränderung der
Ankerspannung). Daher hat der Universalmotor eine große Bedeutung für
Kleinantriebe (z.B. drehzahlvariable Bohrmaschine).
Das Wirkprinzip beruht auf dem Gleichstrommotor (GM). Um die Drehrichtung eines
GM umzukehren, muss entweder die Richtung des Ankerstroms oder die Richtung
des Erregerstroms geändert werden. Geschieht beides gleichzeitig, so ändert sich
die Drehrichtung nicht. Werden nun Anker und Erregung in Reihe geschaltet
(Reihenschlussmaschine), so werden bei Betrieb mit Wechselstrom sowohl Anker
als auch Erregung jeweils gleichzeitig umgepolt. Somit ändert sich die Richtung des
erzeugten Drehmomentes nicht. Jedoch ist das Moment zeitlich nicht konstant (wie
bei Betrieb mit Gleichtrom), sondern pulsierend.
4.1 Aufbau
Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine werden beim Universalmotor aufgrund der
auftretenden Wechselfelder die Erregerpole geblecht. Der Universalmotor wird i.d.R.
2-polig ausgeführt. Anker- und Erregerwicklung werden immer in Reihe geschaltet
(Reihenschlußmotor). Bei den Kleinmaschinen wird i.d.R. aus Kostengründen immer
auf Wendepole und Kompensationswicklung zur Verbesserung der Kommutierung
verzichtet.
4.2 Wirkungsweise
Die Drehmomentbildung erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie beim
Gleichstrommotor, welches hier nochmals wiederholt wird. Auf einen
stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft:

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 15
→
→
→
F = I ⋅(
L×
B)
F: Lorentzkraft
I: Strom durch den Leiter
L: Leiterlänge
B: Magnetische Flußdichte
Das magnetische Feld des Ständers der Stärke B wird von den Erregerpolen oder
von Permanentmagneten erzeugt, und durchsetzt den Anker (Rotor), auf dem die
Ankerwicklungen angebracht sind. Dort fließe der Strom I. Die resultierende Kraft F
führt nun dazu, dass ein Drehmoment auf den Anker wirkt. Die daraus entstehende
Drehbewegung und die Wirkung des Kommutators wird in den folgenden Bildern
verdeutlicht. Das Feld B wird in diesem Beispiel von einem Permanentmagneten
erzeugt. Diese Beispielmaschine hat nur eine Wicklung, und soll lediglich das
Funktionsprinzip verdeutlichen.

enthält eine reale Maschine viele Wicklungen. Entscheidend ist die dabei Anordnung der Wicklung. Im folgenden Beispiel wird hier
eine Trommelwicklung mit 8 Läuferspulen gezeigt.
Mit einer einzelnen Wicklung kann jedoch keine große Kraft und damit auch kein großes Drehmoment erreicht werden. Daher
Bild 10: Entstehung des Drehmoments bei einer GM
Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 16

7.
6. Über die linke Bürste schließt sich der Stromkreis.
5. Lamelle 2 Æ Spule 4/1 Æ Lamelle 1.
4. Lamelle 4 Æ Spule 7/2 Æ Lamelle 1.
3. Strom fließt über die Spule 5/8 zur Lamelle 4 und über Spule 6/3 zur Lamelle 2.
2. Lamelle 3 speist die Spulen 5/8 und 6/3.
1. Der Strom wird über die rechte Bürste in die Lamelle 3 eingespeist.
Die in den oberen Bildern gezeichnete Läuferstellung und Stromverteilung sei nochmals verdeutlicht:
Bild 11: Trommelwicklungen
a) Trommelwicklung mit 4 Spulen b) Vereinfachte Darstellung der Trommelwicklung
6
1
8
7
5
6
unten: S
5
2
7
8
7
4
4
oben: N
4
8
1
3
6
N 1 3 S
2
3
2
1
3
2
4 5
Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 17

verhindert werden, wenn sich die Bürsten an der Stelle befinden, an der das Hauptfeld den Wert Null annimmt. Diesen Bereich
nennt man auch neutrale Zone.
dISpule
statt. Da jede Spule eine Induktivität besitzt, wird während der Kommutierung eine Spannung gemäß U L
dt
I
=-
t
d
d
(Selbstinduktion). Die Spule dreht sich außerdem im Erregerfeld. Auch hiervon wird eine Spannung induziert. Letzteres kann
Spule induziert
sehr wichtig für den Betrieb der Gleichstrommaschine. In einer Spule findet innerhalb kurzer Zeit eine große Stromänderung -
Demnach fließt in einer Ankerwicklung ein pulsierender Gleichstrom mit der Frequenz fel = n*p. Der Kommutierungsvorgang ist
Bild 12: Kommutierungsvorgang
Umpolvorgang nennt man Kommutierung.
Wie gesehen, wird bei der Gleichstrommaschine der Strom in den Ankerwicklunge bei Drehung laufend umgepolt. Den
4.3 Kommutierung
Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 18

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 19
Gerade beim Universalmotor ist eine funkenfreie Kommutation praktisch nicht
möglich. Es wird immer eine Spannung in der durch die Kommutatorbürsten
kurzgeschlossenen Wicklung induziert (s.o.). Die eine Ursache der
Spannungsinduktion ist das zeitlich veränderliche Feld in der Maschine durch den
Betrieb der Erregerwicklung mit Wechselstrom. Man spricht hier von der
transformatorisch induzierten Ankerspannung. Weiterhin wird auch durch die
Rotation der Wicklung im Magnetfeld eine Spannung induziert. Demnach spricht
man von der rotatorisch induzierten Ankerspannung. Damit ist die gesamte in der
kurzgeschlossenen Spule induzierte Spannung abhängig vom Betriebspunkt. Aus
diesem Grund kann die Kommutierung nur für einen Betriebspunkt optimal
eingestellt werden. Daher tritt beim Universalmotor immer Bürstenfeuer auf. Dies ist
vertretbar, da die Motoren in den meisten Fällen nicht im Dauerbetrieb arbeiten (z.B.
Haushaltsgeräte, Werkzeuge).
Beim Universalmotor ist der Ankerstrom zeitlich veränderlich, d.h. der Strom in den
einzelnen Ankerwicklungen kommutiert nicht - wie bei einer Gleichstrommaschine -
zwischen zwei betragsmäßig gleichen Werten, sondern zwischen den Werten einer
Sinuskurve.
a) Kommutierung bei Wechselstrom b) Kommutierung bei Gleichstrom
Bild 13: Stromverlauf in der Ankerwicklung

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 20
6 Verständnisfragen
1. Was unterscheidet Kleinmaschinen von mittleren und großen Maschinen?
2. Wie lässt sich bei einer Dreiphasenwicklung die Drehrichtung des entstehenden
Drehfeldes umkehren?
3. Welches Drehmoment liefert eine Asynchronmaschine, wenn sie mit synchroner
Drehzahl läuft?
4. Welche Frequenz hat der Strom im Rotor einer Asynchronmaschine im Stillstand?
5. Was für Vorteile hat die Asynchronmaschine?
6. Warum kann eine Einphasenmaschine nicht selbstständig anlaufen?
7. Wodurch wird die Drehrichtung eines Einphasenmotors festgelegt?
8. Warum werden bei Zweiphasenmotoren u.a. Anlauf- und Betriebskondensatoren
vorgesehen?
9. Wie kann die Drehrichtung eines Zweiphasenmotors umgekehrt werden?
10. Welche Arten von Spaltpolmotoren gibt es?
11. An welchem Teil eines Spaltpolmotors sind im Betrieb die höchsten
Erwärmungen zu erwarten?
12. Wie lässt sich die Drehzahl eines Spaltpolmotors ändern?
13. Welche Maschinen besitzen einen höheren Wirkungsgrad: Zweiphasenmotoren
oder Spaltpolmotoren? Warum?
14. Welche Maschinentypen haben einen Käfig im Rotor?
15. Woher kommt der Name der Universalmaschine?
16. Was ist der Vorteil von Universalmaschinen?
17. Warum werden die Erregerpole von Universalmaschinen geblecht?

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 21
18. Wie lässt sich die Drehzahl einer Universalmaschine und wie die Drehrichtung
ändern?
19. Was ist bezüglich der mechanischen Belastung bei Reihenschlussmaschinen
unbedingt zu beachten?
20. Was ist bei Betrieb einer Gleichstrommaschine bzgl. der Erregung unbedingt zu
beachten?

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 22
7 Versuchsteil
7.1 Ein- und Zweiphasenasynchronmaschine
M ~
Bild 14: Zweiphasen-ASM
i. Prinzip des Anwurfmotors
Identifizieren Sie die Anschlüsse der
Motoren, indem Sie die
Wicklungswiderstände messen (notieren
Sie diese). Dabei ist der Widerstand der
Hilfswicklung größer, da hier Leiter mit
kleinerem
werden.
Querschnitt verwendet
a) Schließen Sie am Asynchronmotor mit symmetrischer Wicklung nur eine
Wicklung an (Phase L1 an den blauen Anschluß, den Neutralleiter N an
den braunen Anschluß und der schwarze Anschluß bleibt offen). Schalten
Sie den Motor an das Netz (ohne ihn zu belasten), indem Sie die
Transformatorspannung von 0 V bis max. 230 V erhöhen, und versuchen
Sie ihn anzuwerfen. - Wie verhält sich qualitativ die Leerlaufdrehzahl bei
verschiedenen Spannungen?
b) Schließen Sie nun auch die zweite Wicklung an (den schwarzen Anschluß
ebenfalls an Phase L1 anlegen, ohne zusätzliche Impedanz im Hilfskreis)
und wiederholen Sie den Versuch.
c) Führen Sie die beiden obigen Versuchspunkte nun mit dem asymmetrisch
gewickelten Motor durch.
�Notieren Sie stichwortartig ihre Ergebnisse und versuchen Sie anhand der
obigen Feststellungen die Unterschiede der beiden Wicklungsarten zu
erläutern!
sw
br
bl

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 22
ii. Zweiphasenasynchronmaschine
Schließen Sie nun einen bzw. zwei Kondensatoren in Reihe zum Hilfskreis
und wiederholen Sie den Versuch erneut.
Wie lässt sich die Drehrichtung umkehren?
iii. Kennlinie der Zweiphasenasynchronmaschine
(Versuchsaufbau: Kondensatormotor mit Hysteresebremse)
Messen sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie des Kondensatormotors für die
Ständerspannungen 90 V und 120 V. Dazu legen sie die entsprechende
Ständerspannung an die Klemmen 1 und 2 der Maschine an (Spannungsquelle:
Stelltransformator, Typ RTK 10/2-3, prim. 220 V, sek. 0-300 V / 10 A, 3 kVA).
An der Welle der Kondensatormaschine ist über zwei Kupplungen ein
Drehmomentenaufnehmer installiert. Mit diesem Drehmomentenaufnehmer ist es
möglich sowohl Drehmoment als auch Drehzahl direkt zu messen. Je nach Drehzahl
bzw. Drehmoment erzeugt der Drehmomentenaufnehmer, auf dem jeweiligen Kanal,
eine Spannung zwischen 0 und 5 V. Diese Spannungswerte werden durch einen
X/Y-Schreiber aufgezeichnet.
Durch einen Spannungsteiler wird die Drehzahl an die Hysteresebremse weiter
gegeben.
Beginnen Sie die Aufnahme der Kennlinie bei der maximalen Motordrehzahl
(ohne Belastung des Motors). Erhöhen Sie nun langsam die Belastung für
den Motor durch Drehen am Potentiometer - die Motordrehzahl sinkt, der
Strom der Hysteresebremse steigt. Um die Stromwerte aus der Aufzeichnung
des XY-Schreibers ablesen zu können, muss die Stromachse kalibriert
werden. Dazu wird z.B. der Stromwert I = 50 mA auf dem Millimeterpapier
markiert und anschließend der Maßstab der Stromachse ermittelt.
→Bestimmen Sie nach den Messungen Drehzahl und Kippmoment für den
Kipppunkt (Maximum der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie) beider
Kurven. Das Kippmoment bestimmt man mit Hilfe der Strom-Drehmoment-
Kennlinie der Hysteresebremse.

I [A]
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
M [Nm]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Hysteresebremse HB-210-2
Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 25

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 26
7.2 Spaltpolmotor
i. Erwärmung
Der symmetrische Spaltpolmotor ist mit zwei Platinwiderständen PT 100 (100 Ω bei
0 °C) versehen. Dabei ist einer direkt auf dem Ständerkurzschlußring befestigt, der
andere am Blechpaket. Der jeweils angeschlossene PT 100 wird mit einem
konstanten Strom von Imess = 10 mA gespeist. Die Temperatur wird dann über den
Spannungsabfall des Widerstandes bestimmt. Bei einer Temperatur von 0 °C fällt
also eine Spannung von 1 V ab. Kalibrieren Sie den Meßaufbau so, dass Sie bei
einer Temperatur von 110 °C am Schreiber Vollausschlag erhalten (UMotor = 230 V).
Achtung: Nach jeder der folgenden Messungen ist der Motor mit dem Ventilator
Messungen:
auf ca. 30 °C herunterzukühlen.
a) Erwärmung des Blechpaketes bei unbelastetem Motor und UMotor = 230 V
b) Erwärmung des Kurzschlußringes bei unbelastetem Motor und UMotor = 230 V
c) Erwärmung des Kurzschlußringes bei unbelastetem Motor und UMotor = 150 V
� Interpretieren Sie Ihre Ergebnisse und notieren Sie diese stichwortartig.
ii. Elliptisches Drehfeld
Schließen Sie den asymmetrischen Spaltpolmotor an (UMotor = 230 V).
Oszillographieren Sie die Spannungen in den Messwicklungen. Welche
Rückschlüsse ergeben sich hieraus für die magnetischen Flüsse im Haupt- als auch
im Hilfspols des Ständers.
�Erklären Sie anhand ihrer Beobachtung das Funktionsprinzip des Spaltpolmotors.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 27
7.3 Universalmotor
Universalmotor:
Fremderregter Gleichstrommaschine:
L+
L-
L+/L1
L-/L1
A1
A2
G
Bild 15: Universalmotor
Bild 16: Fremderregte Gleichstrommaschine
A C H T U N G: Bevor Sie den Maschinensatz einschalten, muß die
Erregerspannung des fremderregten Gleichstromgenerators auf Uerr,min=25 V- (siehe
Bild 16) eingeschaltet werden.
2
4
1
A1
M
A2
I
L+
L-
2
D2
D1
F2 F1
3 1
IF

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 28
Schließen Sie den Lastwiderstand (25 Ω) in den Ankerkreis (Klemmen 2 und 4) der
Maschine an. Verschalten Sie die beiden Wattmeter so, daß Sie die aufgenommene
(Universalmaschine) und abgegebene (Gleichstrommaschine) elektrische Leistung
messen können.
i. Bürstenfeuer
Belasten Sie die Gleichstrommaschine mit einem Ankerstrom IA = 0,6 A. Betreiben Sie
die Universalmaschine nacheinander mit Gleich- und Wechselstrom und untersuchen
Sie die Bildung des Bürstenfeuers.
ii. Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie
Bestimmen Sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie des Universalmotors bei
Gleich- und Wechselstrom aus der abgegebenen mechanischen Leistung Pmech.
Belasten Sie den Maschinensatz indem Sie die Erregerspannnung der
Gleichstrommaschine variieren. Beginnen Sie die Aufnahme der Kennlinie bei
Wechselspannungsbetrieb mit Uerr =25V- und bei Gleichspannungsbetrieb mit der
doppelten Erregerspannung.
Für die Spannung am Universalmotor gilt:
- Gleichspannung: UMotor = 60 V-,
- Wechselspannung: UMotor = 90 V~
Der Ankerwiderstand der Gleichstrommaschine beträgt: RAnker = 7,5 Ω.
Messen Sie in jedem Punkt der Kennlinie:
• die aufgenommene (Pauf, el) und abgegebene (Pab, el) elektrische Leistung
(Ablesen vom Wattmeter),
• die Motordrehzahl n mit dem Digital-Handtachometer.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 29
Die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie und der Wirkungsgrad lassen sich mit
folgenden Gleichungen bestimmen:
M
P
mech
η =
=
P
P
P
ω
=
mech
mech
P
mech
auf , el
=
ab,
el
P
mech
+ R
An ker
60 1
⋅ ⋅
2π
n
⋅ I
2
An ker
�Legen Sie eine Tabelle in Querformat an, in der folgende Werte aufzuführen
sind:
• Drehzahl n [1/min],
• Drehmoment M [Nm],
• Wirkungsgrad η [%],
• aufgenommene elektrische Wirkleistung Pauf, el [W],
• abgegebene elektrische Wirkleistung Pab, el [W],
• Ankerstrom IAnker [mA] und die
• mechanische Wirkleistung Pmech [W].
�Zeichnen Sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie (M = f(n)) auf
Millimeterpapier (liegt aus) und interpretieren Sie deren Verlauf in bezug auf die
typischen Eigenschaften eines Reihenschlußmotors.
Anmerkung: Bei diesem Verfahren wird das Drehmoment über die von der
Gleichstrommaschine abgegebene elektrische Leistung bestimmt.
Dabei nimmt man vereinfacht an, daß in der Gleichstrommaschine nur
ohmsche Verluste in der Ankerwicklung auftreten.
Bestimmen Sie jeweils für Gleich- und Wechselstrombetrieb auch den Wirkungsgrad
der Universalmaschine über der Drehzahl und zeichnen diesen mit in das Diagramm
für die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie ein.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 30
8 Sicherheitsrichtlinien für das Maschinen- und
Leistungselektroniklabor
In den Laborräumen sind größere Berührungsspannungen als 30 Veff vorhanden.
Bei Arbeiten in den Laborräumen ist daher größte Vorsicht geboten.
A. Schaltungsaufbau
1. Der Auf- und Abbau von Schaltungen darf nur im spannungslosen Zustand und
bei Stillstand aller Maschinen erfolgen.
2. Auf eine sachgemäße Erdung aller Geräte ist besonderer Wert zu legen. Der
Netzanschluß eines Meßgerätes ohne vorgesehenen Schutzleiter ist nur
ausnahmsweise und mit Genehmigung des Betreuers gestattet.
3. Der Umbau von Schaltungen darf nicht bei Spannungen über 30 Veff durchgeführt
werden.
4. Bei Spannungen über 30 Veff dürfen keine spannungsführenden Teile der
Schaltung berührt werden, auch nicht mit einer Hand allein.
5. Bei der Verwendung von Widerstandsdekaden und Schiebewiderständen in
Experimentierschaltungen ist darauf zu achten, daß diese nicht durch unzulässig
große Ströme beschädigt werden. Vor dem Einsatz dieser Geräte sind die Ströme
im voraus zu berechnen und mit den zulässigen Werten zu vergleichen.
6. Vor dem Um- und Abbau von Schaltungen sind bei abgeschalteter
Versorgungsspannung Kondensatoren, welche noch eine Restladung haben
können, zu entladen. Dabei ist Punkt 4 zu beachten.
7. Jeder Eingriff in Geräte ist nur mit Genehmigung des Betreuers zulässig.
8. Wird oder ist ein Bauteil/Gerät beschädigt oder hat den Anschein defekt zu sein,
so ist der Benutzer verpflichtet, die Beschädigung dem Lehrstuhl umgehend zu
melden (bzw. bei Praktika dem Betreuer), damit die erforderlichen Reparaturen
eingeleitet werden können.
9. Aufgebaute Schaltungen sind vor dem Einschalten der Spannung vom Betreuer
des Versuchs (der Arbeit) zu kontrollieren.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 31
10. Von rotierenden Teilen ist Abstand zu halten. Sie sind so aufzustellen, daß eine
unbeabsichtigte Berührung vermieden wird.
11. Es ist nicht mit feuchten Händen an elektrischen Anlagen und Schaltungen zu
arbeiten. Daher ist Essen und Trinken während der Arbeit im Labor untersagt. Dafür
können kurze Pausen eingelegt werden.
B. "Not-Aus"-Schalter
12. Bei einem Unfall sind sofort alle Spannungen abzuschalten bzw. der "Not-Aus"-
Schalter zu betätigen sowie die aufsichtführende Person zu verständigen.
13. Informieren Sie sich vor Beginn des Versuches über die Lage des "Not-Aus"-
Schalters. Der Zugang zu diesem Schalter darf in keiner Weise behindert werden.
Der "Not-Aus"-Schalter darf nur im Ernstfall betätigt werden.
C. Allgemeine Richtlinien
14. Jeder ist verpflichtet, Erste Hilfe zu leisten. Informieren Sie sich vor Beginn der
Arbeiten im Labor über sicherheitsrelevante Dinge (Telefon, Ersthelfer,
Rettungsmittel, Fluchtwege, ...).
15. Neben der Einhaltung dieser Sicherheitsrichtlinien wird eine weitgehende
Eigenverantwortlichkeit der Studenten verlangt, da durch die Einhaltung dieser
Richtlinien allein noch nicht allen möglichen Unfällen im Labor vorgebeugt werden
kann.

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 32
Einhaltungsverpflichtung der Sicherheitsrichtlinien
Dieses Blatt wird vor Beginn des Versuchstermines dem Betreuer abgegeben.
Frau/Herr (Name, Vorname) ____________________________________________
Matr.-Nr. ______________________________________________
Anschrift (Ort) ___________________________________________________
Telefon ___________________________________________________
bestätigt hiermit den Empfang der Sicherheitsrichtlinien für Arbeiten im Labor und
verpflichtet sich, diese gewissenhaft einzuhalten.
Dortmund, den __________________
______________________________________ (Unterschrift)

Praktikumsversuch Kleinmaschinen Seite 33
9 Ihre Verbesserungsvorschläge zur Versuchsanleitung
und Versuchsdurchführung
(erst nach der Versuchsdurchführung vervollständigen und abgeben)
Welche der behandelten Themenbereiche aus der Versuchsanleitung sollten
ausführlicher erläutert werden? Haben Sie in der Anleitung irgendwo Fehler
entdeckt?
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Welche Verbesserungswünsche haben Sie für die praktische Durchführung des
Versuches?
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