Der Universalmotor Kurzfassung der Projektarbeit im SS 2007 von S. Holzinger Studiengang Allgemeine Elektrotechnik Betreuer: Prof. Dr.-Ing. E. Nolle

Grundlagen Elektromagnetismus Elektrische Maschinen beruhen auf dem Grundprinzip des Elektromagnetismus. Hierbei gilt: Ein Strom I, der durch einen elektrischen Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld B: B = µ ∙ ( N ∙ I ) / l Weiter werden zwei wichtige Grundeigenschaften elektromagnetischer Felder angewendet: Das Induktionsgesetz sowie die Lorenzkraft. Quelle: de.wikipedia.org Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 2

Grundlagen Induktionsgesetz Ui B Quelle: de.wikipedia.org Induktionsgesetz Wird ein Leiter der Länge l im Magnetfeld der Flussdichte B mit der Geschwindigkeit v bewegt, so wird in ihm die Spannung Ui induziert: Ui = l ∙ v ∙ B Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 3

Grundlagen Lorenzkraft Wird ein Leiter der Länge l im Magnetfeld der Flussdichte B, vom Strom I durchflossen, so wirkt auf ihn die Kraft F: F = l ∙ I ∙ B Quelle: de.wikipedia.org Quelle: www.schulmodell.de Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 4

Grundlagen Wirkungsweise Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 5 Quelle: www.uni-muenster.de Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 5

Grundlagen Wirkungsweise Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 6 Quelle: www.8ung.at/elektrotechnik Quelle: www.uni-muenster.de Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 6

Universalmotor Ein Universalmotor ist ein an Wechselstrom betriebener Gleichstrommotor. Einsatzgebiete Die Einsatzgebiete der Universalmotoren sind unter anderem: - Haushalt - Heimwerkerbereich Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 7

Aufbau Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 8 Quelle: www.uni-muenster.de Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 8

Aufbau Stator Im Stator wird ein Magnetfeld mit ausgeprägten Polpaaren erzeugt. Das wechselnde Statorfeld lässt jedoch keine massive Bauweise zu. Um Wirbelströme zu vermeiden, muss der Stator aus Elektroblechen geschichtet werden. Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 9

Aufbau Rotor (Anker) Wegen der zusätzlichen Ummagnetisierung bei der Drehung muss auch der Rotor aus Elektroblechen hergestellt werden (Diese werden i. d. R. gemeinsam aus einem Blechstreifen gestanzt.) Die Wicklungen des Rotors verlaufen in den Ankernuten. Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 10

Aufbau Stromwender (Kollektor) Der Stromwender besteht aus gegeneinander isolierten Hartkupferlamellen. Durch feststehende Kohlebürsten werden bei der Rotordrehung immer andere Ankerspulen vom Strom durchflossen. Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 11

Aufbau Konstruktionsteile - meist direkt mit an die Maschine bzw. das Getriebe angekuppelt Ausführung als sog. Teilemotor. - Lagerung oft durch das angetriebene Gerät sie zentriert den Rotor drehbar im Stator. - meist offene Bauweise mit direkt angetriebenem Lüfter zur Motorkühlung und Drehzahlbegrenzung. - Stromwender: dadurch zusätzliche Baulänge des Motors. - Kohlebürsten erfordern Maßnahmen gegen innere Verschmutzung. - bevorzugt hohe Drehzahl für hohe Leistung bei kleinen Abmessungen und niedrigem Gewicht. Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 12

Erregungsart Reihenschlusserregung - Bei Universalmotoren kommt die Reihenschlusserregung zum Einsatz. - Größtes Anzugsmoment, da der Laststrom das Erregerfeld verstärkt. Quelle: www.wikipedia.org Quelle: de.wikipedia.org Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 13

Polpaarzahl Bürstenverstellung Die Polpaarzahl gibt die Anzahl Hauptpol Quelle: www.uni-muenster.de Die Polpaarzahl gibt die Anzahl der Hauptpolpaare des Stators an. Universalmotoren sind bevorzugt 2polig. Die Drehzahl des Motors lässt sich über die Wicklungen beliebig vorgeben. Bürstenverstellung Bei Universalmotoren mit fester Drehrichtung lässt sich die Kommutierung durch Bürstenverstellung verbessern. Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 14

Funktionsweise - Wird bei einem Gleichstrommotor das Ständer- und Läuferfeld gleichzeitig umgepolt, so ändert sich die Drehrichtung des Motors nicht. - Da bei Reihenschlusserregung somit die Stromrichtung keinen Einfluss auf die Drehrichtung des Motors hat, kann man diese als Universalmotoren auch mit Wechselstrom betreiben. Quelle: HS Esslingen Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 15

Ersatzschaltung Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 16 Quelle: HS Esslingen Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 16

Betriebskennlinien Leerlauf: Belastung: Quelle: HS Esslingen Leerlauf: Belastung: Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 17

Drehzahlsteuerung - Die Drehzahl kann besonders einfach und preisgünstig über eine Phasenanschnittsteuerung verändert werden. M Quelle: www.wikiweise.de Quelle: www.wikiweise.de Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 18

Besonderheiten - Universalmotoren neigen als Reihenschlussmotoren im Leerlauf zum Durchgehen. Daher wird die Leerlaufdrehzahl oft durch geeignet dimensionierte Lüfterflügel auf zulässige Werte begrenzt. - Funkenstörungen am Kollektor werden durch Entstörglieder unterdrückt. Dazu wird der Anker zusätzlich meist zwischen die beiden Erregerspulen geschaltet. - Durch die hohe Betriebsdrehzahl sind Universalmotoren relativ laut und die Kohlen verschleißen schnell. Sie werden daher nur bei begrenzter Nutzungsdauer (z. B. einige 100 Betriebsstunden) eingesetzt. - Andererseits sind sie bei vorgegebener Leistung klein, leicht, billig und lassen sich auch einfach und preisgünstig drehzahlvariabel einsetzen. Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 19