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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2.2 Elektromotoren 1 3.2 Elektrische Maschinen 3.2.2 Elektromotoren Elektromotoren.

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Präsentation zum Thema: "WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 3.2.2 Elektromotoren 1 3.2 Elektrische Maschinen 3.2.2 Elektromotoren Elektromotoren."—  Präsentation transkript:

1 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren Elektrische Maschinen Elektromotoren Elektromotoren sind Energiewandler P 2 mit M,n P 1 mit U,I oder U,I,f,cos oder 3U, 3I, f, cos E- Motor Pv mit Q, Je nach angewendeter Stromart werden Gleich-, Wechsel- und Drehstrommotoren eingesetzt. Physikalische Grundlage : Kraftwirkung auf die bewegte elektrische Ladung N S Kraftflussdichte B des Feldes Elektronenfluss -richtung im Leiter Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters Feldlinien verstärken sich Feldlinien schwächen sich F : Kraft auf den Leiter F: Kraft in N B: Kraftflussdichte in Vsm -2 I: Stromstärke in A l: wirksame Leiterlänge in m Feld-, Strom- und Kraftrichtung sind senkrecht zueinander I B F

2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 2 Aufbau des Gleichstrommotors Ständer und Ständerfeld Ständer aus Eisen Ständerwicklung Polschuhe Ständerwicklung wird mit Gleichstrom gespeist Ständermagnetfeld entsteht Nord- und Südpol bilden sich aus N S Senkrecht zur Feldrichtung liegt die neutrale Zone Eigenschaften von Feldlinien: treten senkrecht aus Oberflächen aus und ein, verlaufen, wenn möglich, parallel zueinander, bilden im Ständer einen geschlossenen Kreis. neutrale Zone Ständer oder Stator eines Gleichstrommotors, die Polschuhe und Wicklungen liegen im Vergleich zum Schema um 90° verdreht im Gehäuse. Wicklungsköpfe Klemmenkasten Kühlrippen

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 3 Entstehung des Drehmoments in einer Leiterschleife N S neutrale Zone Leiterschleife ist drehbar gelagert und liegt in der neutralen Zone Leiterschleife wird mit Gleichstrom gespeist Leiterschleife bildet ein eigenes Magnetfeld mit Nord- und Südpol aus NSNS Erklärung des Drehmoments: gleiche Pole stossen sich ab Leiterschleife dreht sich entgegen dem Uhrzeiger Feldlinien auf den gleichen Seiten der Leiterschleife verstärken bzw. schwächen sich. NSNS NSNS Das Drehmoment hält an, die Leiterschleife dreht sich weiter. Die Leiterschleife hat ihre Mittellage erreicht. Das Drehmoment besteht weiter. Die Feldlinien schwächen und verstärken sich auf beiden Seiten der Leiterschleife in gleichem Maße Die technische Zielstellung besteht darin, die Drehbewegung bei Erhaltung des Drehmoments kontinuierlich fortzusetzen. Die Leiterschleife dreht sich weiter, bis sich Nord- und Südpol von Ständer und Leiterschleife gegenüberstehen. Dann entsteht kein Drehmoment mehr.

4 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 4 Der Läufer (Rotor) Eine vollständig rotierende Leiterschleife nennt man Läufer oder Rotor. Läuferwelle Kugellager Blechpaket mit Nuten für die Wicklungen Läuferwicklungen (Wicklungsköpfe) Kollektor mit Lammellen Fixierung der Wicklungsköpfe und Befestigungen an den Lammellen (Garnumwicklung) Die Läuferwicklungen werden über die Lammellen des Kollektors und über Kohlebürsten mit dem Läuferstrom gespeist. Bei der Rotation des Läufers werden seine Wicklungen ständig so mit Strom gespeist, dass das Magnetfeld des Läufers stets quer zum Magnetfeld des Ständers liegt. Bei dieser Anordnung erzeugt der Motor das größte Drehmoment. Beim wirklichen Motor besteht der Läufer aus mehreren Läuferwicklungen, die auf einen Eisenkern gewickelt sind.

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 5 Aufbau der Läuferwicklung Kollektorlammellen in abgewickelter Darstellung Trommelankerwicklung mit 6 Spulen Oberseite der Wicklung Unterseite der Wicklung Aufbau der Läuferwicklung im abgewickelter Darstellung _ ULUL N S + _ ULUL S N + _ ULUL S N Fluss des Läuferstroms über die Lammellen 1 und 4, Entstehung der Pole Fluss des Läuferstroms über die Lammellen 2 und 5, Verschiebung der Pole nach rechts Fluss des Läuferstroms über die Lammellen 3 und 6, Verschiebung der Pole nach rechts Zufuhr des Läuferstroms über Kohlebürsten Mit der Drehung des Läufers verdreht sich auch das Läuferfeld. In Beziehung zum Ständer ändert es seine Lage jedoch nicht! Der Läufer hat eine halbe Umdrehung gemacht.

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 6 Wirkungsweise der Maschine – Zusammenwirken von Ständer- und Läuferfeld N S neutrale Zone Ständer mit FeldLäufer mit Feld Die Läuferwicklung führt in der neutralen Zone keinen Strom weil die Kohlebürsten beim Übergang von einer Kollektorlammelle zur nächsten jeweils die benachbarten Lamellen kurz schließen. Mit der vorangegangenen Darstellung wurde gezeigt, dass die Läuferwicklung so ausgeführt ist, dass auf der einen Seite des Läufers ein Nordpol und auf der anderen Seite ein Südpol entsteht. S N Beim Betrieb der Maschine stehen beide Magnetfelder in Wechselwirkung miteinander. Sie bilden ein Gesamtfeld

7 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 7 N S neutrale Zone N S Das resultierende Magnetfeld Das Ständer und das Läufermagnetfeld mussen senkrecht zueinander stehen. Deshalb wird das Läuferfeld auch Ankerquerfeld genannt. Beide Magnetfelder können nicht unabhängig voneinander existieren. Sie bilden das resultierende Feld. Das resultierende Feld durchsetzt den Läufer nicht mehr senkrecht, sondern schräg. Es verschiebt die Pole des Ständers und Läufers. Damit verschiebt sich die neutrale Zone. Die Folge ist, dass auch die Kohlebürsten zur Zuleitung des Läuferstromes in die neutrale Zone gedreht werden müssen. Kollektorlammellen Kohlebürsten mit Andruckfeder Bürstenhalter Bürstenbrücke Je mehr der Motor belastet wird, desto größer wird der Läuferstrom. Dadurch verschiebt sich mit der Belastung die neutrale Zone. Zur Kompensation können in den Ständer Wicklungen eingebaut werden, die eine gegenteilige Wirkung haben, die Wendepole.

8 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 8 Betriebsarten von Gleichstrommotoren Je nach Schaltung von Ständer- und Läuferwicklung können die Maschinen als Reihen- oder Nebenschlussmotoren betrieben werden. Dadurch unterscheiden sie sich in ihrem Betriebsverhalten erheblich. ReihenschlussmotorNebenschlussmotor M M Ständerwicklung Läuferwicklung mit Kollektor und Kohlebürsten U U I S = I L ILIL ISIS Wenn der Läufer im Magnetfeld des Ständers rotiert, dann entsteht in der Läuferwicklung eine Induktionsspannung U 0. Die Induktionsspannung muss ihrer Ursache, also der Betriebsspannung U, entgegengerichtet sein. Sie wirkt wie ein Widerstand und begrenzt den Läuferstrom I L. U0U0 U0U0 Je größer die Belastung M des Motors, desto geringer die Drehzahl n, desto kleiner die Induktionsspannung U 0, desto größer der Läuferstrom I L. U: Betriebsspannung; I: Gesamtstrom; I L :Läuferstrom; I S : Ständerstrom; U 0 : Induzierte Läuferspannung; R L : Ohmscher Widerstand des Läufers

9 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 9 M M Betriebsverhalten: M n M n Bei Betrieb von Elektromotoren ist die Betriebsspannung U konstant. Die Belastung des Motors entsteht durch das abgegebene Drehmoment M. Je nach Schaltungsart verhält sich die Drehzahl n des Motors verschieden. Mit wachsendem Drehmoment M nimmt die Drehzahl n ab und die induzierte Gegenspannung U 0 wird kleiner. Folglich muss die Gesamtstromstärke I des Motors steigen. I I Der Reihenschlussmotor entwickelt bei niedrigen Drehzahlen sein größtes Drehmoment. Bei geringer Belastung kann seine Drehzahl bis zur Selbstzerstörung ansteigen. Er geht durch. Anwendung findet er als Antriebsmotor in Fahrzeugen und Elektrowerkzeugen. Der Nebenschlussmotor zeigt eine von der Belastung nahezu unabhängige Drehzahl. Der Motor kann dann durchgehen, wenn die Erregerwicklung unterbrochen wird. Anwendung findet der Motor dort, wo konstante Drehzahlen wichtig sind, bei Förder- und Hebezeugen.

10 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 10 Anwendung des Reihenschlussmotors bei Wechselstrom – der Universalmotor M Bei Betrieb mit Wechselstrom ändert sich die Richtung der Magnetfelder in Ständer und Läufer zeitgleich. Dadurch ändert sich die Richtung des erzeugten Drehmomentes nicht. Die Auslegung für Wechselstrombetrieb erfordert einen geblechten Eisenkern des Ständers. Dadurch werden wie beim Transformator die Wirbelströme gering gehalten. Der Eisenkern des Läufers ist zur Unterdrückung der Wirbelstromverluste in jedem Fall geblecht ausgeführt. Der Universalmotor hat bei Wechselstrombetrieb eine etwas geringere Leistung als bei Gleichstrombetrieb und auch einen kleineren Wirkungsgrad. Ursache sind die vom Transformator bereits bekannten induktiven Blindwiderstände, die die aufgenommene Stromstärke verringern und die Eisenverluste im Ständerblechpaket.

11 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – Elektromotoren 11 Gleichstromgeneratoren Gleichstrommotoren können auch als Generatoren verwendet werden. Dabei Ändert sich die Energieflussrichtung. P 2 mit M,n P 1 mit U,I E- Motor Pv mit Q, P 1 mit M,n P 2 mit U,I Generator Pv mit Q, Gedankenexperiment: Eine mit einem Gleichstrommotor angetriebene Straßenbahn durchfährt eine Ebene. Der Motor wird mit der Betriebsspannung U und der Betriebsstromstärke I B aus dem Fahrleitungsnetz versorgt. Die aufgenommene Stromstärke I wir durch die im Läufer induzierte Gegenspannung U 0 begrenzt. Die Bahn beginnt eine Talfahrt, wobei sie einen Hang hinabrollt und ihre Geschwindigkeit erhöht. Die Motordrehzahl n die Gegenspannung U 0 steigen, bis U 0 den Betrag der Betriebsspannung U erreicht hat. Die Bahn rollt ohne Stromaufnahme den Hang hinab. Die Folge ist, dass die induzierte Gegenspannung U 0 größer wird als die Betriebsspannung U. Der Motor ist zum Generator geworden und speist jetzt Strom in das Fahrleitungsnetz ein. Der Hang wird steiler, die Geschwindigkeit erhöht sich, mit ihre die Motordrehzahl.


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