Elektromotor

1 Historische Entwicklung 3.2 Leistungs- und Einsatzbereich 3.3 Aufbau eines Gleichstrommotors 3.4 Funktionsweise eines Gleichstrommotors 3.5.1 Der Stator 3.5.2 Der Anker (Rotor) 3.5.2.1 Der Doppel-T-Anker 3. Damals wurden alle Räder noch durch Dampfmaschinen, Wasserkraft oder reine Muskelkraft bewegt. Auf jeden Fall waren starke Arme nötig, um diese Maschine am Laufen zu halten oder abzuschalten. Heute stoppen alle Räder, wenn der Strom ausfällt. Der Elektromotor hat praktisch überall die Rolle des mechanischen Energielieferanten übernommen. Es ist ohnehin aus Industrie und Handel nicht mehr wegzudenken. Aber jeder Haushalt kann jetzt problemlos mehrere Dutzend Elektromotoren betreiben, von der Spülmaschine bis zum CD-Player. Sogar der Verbrennungsmotor (Ein Verbrennungsmotor ist ein Wärmemotor, bei dem die Verbrennung eines Kraftstoffs mit einem Oxidationsmittel in einer Brennkammer erfolgt, die ein integraler Bestandteil des Arbeitsflüssigkeitskreislaufs ist) im Auto startet erst, wenn er von einem Elektromotor gestartet wurde. Alle diese elektrischen Antriebe leisten ihre Dienste so perfekt und diskret, dass wir uns ihrer Allgegenwart und Unverzichtbarkeit kaum bewusst sind. Noch schwieriger ist es, sich Gedanken über die verschiedenen Konstruktionsprinzipien des Elektromotors zu machen. Während ein Laie normalerweise einen Viertaktmotor unterscheiden kann (ein Viertaktmotor i

st ein Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben beim Drehen einer Kurbelwelle vier getrennte Hübe vollführt) von einem Zweitaktmotor (ein Zweitakt- oder Zweitaktmotor ist eine Art Verbrennungsmotor, der einen Leistungszyklus mit zwei Hüben des Kolbens während nur einer Kurbelwellenumdrehung vollendet), bleibt der Elektromotor für ihn in der Regel eine Blackbox, die Elektrizität irgendwie in eine Drehbewegung umwandelt.

Ein Leiterstück hängt frei beweglich im Feld eines Bügelmagneten. Wenn wir nun den Strom einschalten, wird der Leiter je nach Stromrichtung und Magnetfeld in das Magnetfeld hinein- oder herausgezogen. Die Tatsache, dass diese Bewegung auftritt, lässt sich auf eine Kraft zurückführen. Er wirkt senkrecht zur Feldrichtung und auch senkrecht zum Leiter. Der Leiter kann sich im Magnetfeld nur bewegen, wenn ein elektrischer Strom (Ein elektrischer Strom ist ein Fluss elektrischer Ladung) durch ihn fließt. Die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die beweglichen Elektronen ausgeübt wird, nennt man die Lorenzkraft nach dem Physiker Hendrik Antoon Lorentz (Hendrik Antoon Lorentz war ein niederländischer Physiker, der 1902 den Nobelpreis für Physik mit Pieter Zeeman für die Entdeckung und theoretische Erklärung des Zeeman-Effekts teilte) (1853-1928).

So können Sie erkennen, in welche Richtung sich der durch den Leiter fließende Strom bewegt. Es werden die ersten drei Finger der rechten Hand verwendet, die jeweils senkrecht zueinander stehen müssen. Der Daumen zeigt in die technische Richtung des Stromes als Ursache der Leiterbewegung und der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes (vom Nord- zum Südpol). Daraus schließen wir die Bewegungsrichtung des Leiters und gleichzeitig die Richtung der Lorenzkraft durch den Mittelfinger.
DC-, AC- und Drehstrommotoren gehören zur Gruppe der Drehstrommotoren. Transformatoren gehören beispielsweise zur Gruppe der statischen elektrischen Maschinen. Ich spreche jetzt hauptsächlich von elektrischen Rotationsmaschinen, die als Motoren arbeiten. Es gibt zwei Hauptteile von rotierenden Maschinen, nämlich einen festen Stator und einen rotierenden Rotor. Auf dem Stator des Elektromotors befinden sich die Erregerwicklungen (Spulen), die ein Magnetfeld (Erregerfeld) erzeugen und auf die die Ankerwicklungen eine Kraft ausüben. Wenn der Stator die Erregerwicklung und den Rotor trägt (der Rotor ist ein beweglicher Bestandteil eines elektromagnetischen Systems im Elektromotor, Generator oder Generator) die Ankerwicklung, spricht man von einer externen Polmaschine. Im Gegensatz dazu dreht sich die Erregerwicklung der Innenpolmaschine bei fester Ankerwicklung.
Wenn der Rotor einer Maschine angetrieben wird, d.h. mechanische Energie zugeführt wird, gibt die Maschine elektrische Energie ab. Er arbeitet als Generator (siehe Abb. 1). Der Wirkungsgrad ist dann h = Pel / Pmech, der Generator ist also ein mechanisch-elektrischer Energiewandler, wenn der Maschine elektrische Energie zugeführt wird, dreht sich der Rotor. Die Maschine liefert mechanische Leistung und arbeitet als Motor (siehe Abb. 2). Der Wirkungsgrad ist in diesem Fall h = Pmech / Pel. Im Gegensatz zum Generator ist der Motor ein elektromechanischer Energiewandler.

Die Energieversorgung erfolgte über die in der Frühzeit der Elektrotechnik entwickelten galvanischen Elemente (Elektrotechnik ist ein Fachgebiet, das sich in der Regel mit der Erforschung und Anwendung von Elektrizität, Elektronik und Elektromagnetismus beschäftigt), die nur Gleichstrom lieferten (Gleichstrom ist ein Fluss von elektrischen Ladungsträgern, der immer in die gleiche Richtung verläuft). Die Entwicklung des Gleichstrommotors ist eng mit dem Namen A.Pacinotti verbunden, der 1860 einen Motor mit Ringwicklungen und einem vierteiligen Kommutator herstellte. Auf Pacinotti folgte Gramme, der den Ringanker erfand. Dieser Anker arbeitete jedoch mit erheblichen Leistungsverlusten, da die Spulenhälften nicht im Rotor eingesetzt werden konnten. Friedrich von Hefner Alteneck (Friedrich Heinrich Philipp Franz von Hefner-Alteneck war ein deutscher Elektroingenieur und einer der engsten Helfer von Werner von Siemens) hat die Funktion des Gleichstrommotors entscheidend verbessert. 1872 wickelte der deutsche Konstrukteur einen zylindrischen Anker komplett mit Draht um und erfand so den noch heute verwendeten Trommelanker. Um 1890 verlor der Gleichstrommotor mit der Einführung des Drehstroms seine Überlegenheit gegenüber den Asynchronmotoren.

Beispielsweise gibt es Motoren mit einer Leistung von weniger als einem Watt für die Feinmechanik oder große Maschinen, die eine Leistung von mehr als 10.000 kW bei einer Spannung von 1500 V verbrauchen. Weit verbreitet sind turmmagneterregte Motoren bis ca. 100 W, die in großen Stückzahlen für die Automobilelektrik gefertigt werden. Dort werden sie als Scheibenwischer (Ein Scheibenwischer oder Scheibenwischer ist ein Gerät zur Entfernung von Regen, Schnee, Eis und Schmutz von einer Windschutzscheibe oder Windschutzscheibe), Gebläse und Stellmotoren eingesetzt. In der Industrie werden Gleichstrommotoren hauptsächlich in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen und Walzwerken eingesetzt. In Nahverkehrsbahnen werden sie als Fahrmotoren eingesetzt.

Wenn der Aufbau des Gleichstrommotors, wie im Bild dargestellt, wesentlich vereinfacht wird, besteht er aus zwei Grundkomponenten: zum einen einem Hauptmagneten, der am Stator befestigt ist, auf dem sich die Erregerwicklungen (Spulen) befinden; zum anderen dem bereits erwähnten Anker (Rotor) als Leiterschleife, an dessen Ankerkern die Ankerwicklungen befestigt sind. Bei den beiden genannten Teilen handelt es sich um Magnete, die miteinander in Wechselwirkung stehen und so den Anker in Drehung versetzen. Im Bild sehen wir, dass die Erregerwicklungen nicht immer Spulen sein müssen. Turmmagneterregte Motoren sind ebenfalls möglich. Wir haben es hier mit einem zweipoligen Gleichstrommotor zu tun (ein Gleichstrommotor ist eine Klasse von rotierenden elektrischen Maschinen, die elektrische Gleichstromenergie in mechanische Energie umwandelt), da der Nord- und der Südpol die Feldkomponenten eines Motors sind. Der abgebildete Anker wird als Doppel-T-Anker bezeichnet. Sie hat die einfachste Form für den Anker einer Gleichstrommaschine. Seinen Namen verdankt es seiner Form, die an zwei zusammengesetzte T`s erinnert. Anfang und Ende der Ankerspulen sind mit den Lamellen des Kommutators verbunden (blau und orange dargestellt). Der Strom wird der Ankerwicklung über Kohlebürsten zugeführt (eine Bürste ist ein Gerät, das Strom zwischen stationären Drähten und beweglichen Teilen, meist in einer rotierenden Welle, leitet) (im Bild durch kleine rote Rechtecke gekennzeichnet), die einen Gleitkontakt mit dem rotierenden Kommutator herstellen (ein Kommutator ist ein beweglicher Teil eines elektrischen Drehschalters in bestimmten Typen von Elektromotoren und elektrischen Generatoren, der die Stromrichtung zwischen dem Rotor und dem externen Stromkreis periodisch umkehrt) und so die Spulen mit Strom versorgen. Kohlenstoff wird verwendet, weil er ein relativ guter Leiter ist, der auch als Schmiermittel in Gleitkontakt mit dem Kollektor wirkt, indem er kleine Kohlenstoffpartikel aus der Kohlebürste schleifen und sich auf der Kollektoroberfläche als Schmiermittel ansammeln kann (Ein Schmiermittel ist eine Substanz, die eingeführt wird, um die Reibung zwischen Oberflächen in gegenseitigem Kontakt zu reduzieren, was letztlich die Wärmeentwicklung reduziert, wenn sich die Oberflächen bewegen). Kommutatoren und Bürsten können auch als mechanischer Schalter oder Inverter verstanden werden, der die Stromrichtung umkehrt, wenn der Kollektor die neutrale Zone durchläuft (Totpunkt, Nulldurchgang). Der Stator, im Bild ein Daumenmagnet, stellt den gesamten äußeren Teil des Motors dar.

Die Stromzufuhr im Anker löst ein Drehmoment aus (Drehmoment, Moment oder Moment der Kraft ist Drehkraft) im Anker, das den Anker in eine Drehbewegung versetzt. Durch die Drehung des Ankers wird in den Ankerwicklungen eine Spannung induziert. Diese induzierte Kraft steht im Gegensatz zu der von außen an den Anker angelegten Spannung und wird daher auch als Gegenspannung bezeichnet. Mit einem schnell laufenden Motor kann er fast so groß werden wie die angelegte Spannung. In diesem Fall ist der Strom niedrig und der Motor läuft mit konstanter Drehzahl. Wenn Lasten auf den Anker einwirken, verlangsamt er sich, was bedeutet, dass die Gegenspannung abnimmt und der Stromfluss durch den Anker zunimmt. Dadurch kann der Motor mehr Leistung aufnehmen und mehr mechanische Arbeit verrichten (In der Physik wird gesagt, dass eine Kraft wirkt, wenn es zu einer Verschiebung des Angriffspunktes in Richtung der Kraft kommt). Zum Starten des Motors sind spezielle Vorrichtungen erforderlich, da die Drehzahl den Strom im Anker steuert. Wenn die normale Betriebsspannung an einen stationären Motor angeschlossen würde, würde ein sehr starker Strom fließen, der den Kollektor und die Ankerwicklungen beschädigen könnte. Um dies zu verhindern, wird ein Widerstand vor den Anker geschaltet. Er wird auch als Vorwiderstand bezeichnet. Seine Aufgabe ist es, den Strom im Motor zu reduzieren, bis der Motor eine ausreichende Gegenspannung aufgebaut hat. Während der Beschleunigungsphase wird die Wirkung des Vorwiderstandes (ein Widerstand ist ein passives zweipoliges elektrisches Bauteil, das den elektrischen Widerstand als Schaltungselement realisiert) langsam reduziert. Diese Reduzierung kann manuell oder automatisch erfolgen. Die Drehzahl des Motors hängt von der Stärke des auf den Anker einwirkenden Magnetfeldes und dem Strom im Anker ab. Je höher das Magnetfeld, desto geringer die Geschwindigkeit, mit der die Gegenspannung erzeugt wird.

3.5.1 Der Stator dient einerseits als Halterung für die verschiedenen erforderlichen Wicklungen (Erregerwicklung, Kompensationswicklung (eine Kompensationswicklung ist eine isolierte Spule, die in die Primärwicklung eines Transformators gewickelt ist, um effektiv Bruchzahlen von Windungen zu erzeugen), und andererseits liefert er die externe magnetische Rückmeldung der Hauptpole im Innenfeld (Luftspalt), in dem der Rotor drehbar gelagert ist. Wir können die magnetische Inferenz wie folgt erklären, wenn wir uns die Feldlinien des Hauptmagneten ausgehend vom Nordpol des Magneten als einen kontinuierlichen Feldlinienkreis vorstellen: Ausgehend vom Nordpol verlaufen die Feldlinien durch den Anker zum Südpol (der Südpol, auch als Geographischer Südpol oder Terrestrischer Südpol bekannt, ist einer der beiden Punkte, an denen die Rotationsachse der Erde ihre Oberfläche schneidet), wo sie sich teilen und zum Nordpol zurückkehren (der Nordpol, auch als Geographischer Nordpol oder Terrestrischer Nordpol bekannt, ist definiert als der Punkt in der Nordhalbkugel, wo die Rotationsachse der Erde auf ihre Oberfläche trifft) über den Stator. Hier beginnt der Zyklus von neüm (Neum ist die einzige Stadt an der Küste von Bosnien und Herzegowina und damit der einzige Zugang des Landes zur Adria). Die magnetische Inferenz ist die Rückkehr der Feldlinien zum Ausgangspol. Neben diesen beiden wichtigen Funktionen hat der Stator auch die Aufgabe, den Motor vor äußeren mechanischen Einflüssen zu schützen und die Stabilität des Motors sicherzustellen.

Betrachten wir nun den Anker aus seiner Konstruktion. Der Anker besteht aus einem Schacht aus Stahl, der einen Blechstapel aus einzelnen gepressten Dynamoblechen trägt. Diese Dynamoplatten sind einseitig isoliert, haben eine Dicke von 0,5 mm und eine bestimmte Form: Wenn man sich eine gestanzte Kreisplatte vorstellt, von der man in einem bestimmten Abstand Segmente eines Kreises abschneidet, erhält man eine sternförmige Struktur. Drückt man nun einen Satz solcher sternförmiger Scheiben zusammen, erhält man einen Zylinder, der mehrere Längseinbuchtungen aufweist. Diese Kerben stehen sich genau gegenüber. Sie werden als Nuten bezeichnet und dienen zur Aufnahme der Ankerwicklungen. Nach dem Einlegen der Ankerwicklungen in die Nuten werden diese mit einem Keil verschlossen. Nun wird der gesamte Blechstapel mit seinen Wicklungen auf eine Welle aufgelegt und mit Hilfe von Pressringen fest zusammengedrückt. Das Ergebnis ist ein Anker einer Gleichstrommaschine.
Im Schwerpunkt des Eisenkerns befindet sich ein Loch, durch das die Welle geschoben wird. Der Doppel-T-Anker hat seinen Namen von der Form seines Eisenkerns, der an ein aufrechtes T mit einem umgekehrten T am Boden erinnert. Motoren mit einem solchen Anker müssen in der Regel gestartet werden, da sie nicht in jeder Position aus eigener Kraft starten können (z.B. horizontale Position des Rotors).
3.5.2.2 Im Gegensatz zum Doppel-T-Anker können Motoren mit Dreifach-T-Ankern (siehe Bild) aus jeder beliebigen Position starten, da die Magnetpole des Ankers so gestaltet sind, dass sich die Kräfte auf die Ankermagnetfelder nicht gegenseitig aufheben können. Wie der Name schon sagt, besteht der Dreifach-T-Anker aus drei T-förmigen Teilen, um die jeweils eine Spule gewickelt ist. Der Kollektor ist mit drei Segmenten (Lamellen) besetzt. An jeder Lamelle sind ein Spulenanfang und ein Spulenende von zwei benachbarten Wicklungen angebracht (In der Oberflächenanatomie ist eine Lamelle eine dünne plattenförmige Struktur, oft eine unter vielen Lamellen sehr dicht beieinander, mit offenem Raum dazwischen).
Ihr Aufbau besteht aus etwa gleichen Teilen, einem drehbar gelagerten Anker (Rotor) und einem Feldmagneten (Stator). Wechselstrommotoren haben jedoch keinen Kollektor (Ein Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät oder eine Schaltung, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt). Wie der Name schon sagt, werden sie mit Wechselstrom betrieben.
Bei einer normalen Netzfrequenz von 50 Hz bedeutet dies, dass sich das Magnetfeld (Ein Magnetfeld ist die magnetische Wirkung von elektrischen Strömen und magnetischen Materialien) 50 mal innerhalb einer Sekunde ändert. Das bedeutet auch, dass die Anziehungs- und Abstoßungskräfte 50-mal in einer Sekunde die Richtung zwischen Feldmagneten und Ankern wechseln. Würde man versuchen, den Anker aus seiner Ruhestellung unter Wechselstrom zu setzen, dann würden aufgrund seiner Trägheit nur zitternde Bewegungen auftreten. Wird der Anker jedoch vor der Spannungsversorgung in Rotation versetzt, kann der Anker mit der richtigen Drehfrequenz weiterdrehen. Dieser Vorgang kann jedoch nur funktionieren, wenn der Anker, der sich gerade am magnetischen Nordpol des Feldmagneten vorbeibewegt, dort durch die aktuelle Polarität einen eigenen Nordpol bildet und damit die gleichnamigen Pole abstößt und die Drehbewegung fortgesetzt wird. Dasselbe muss an den magnetischen Südpolen geschehen. Bei dieser Ausführung ist es wichtig, dass sich der Anker mit der gleichen Frequenz bewegt, mit der der elektrische Wechselstrom (Wechselstrom, ist ein elektrischer Strom, der periodisch die Richtung umkehrt, während Gleichstrom nur in eine Richtung fließt) die Richtung ändert. Solche Motoren werden als Synchronmotoren bezeichnet.

Werden die Anschlüsse der Feldmagnete und des Ankers gleichzeitig vertauscht, bewegt er sich in seine ursprüngliche Richtung zurück. Ein Wechselstrommotor bedeutet jedoch nichts anderes als die ständige Umkehrung der Stromrichtung. Daraus folgt, dass ein Gleichstrommotor grundsätzlich auch als Wechselstrommotor betrieben werden kann (Ein Wechselstrommotor ist ein durch Wechselstrom angetriebener Elektromotor).
DC- oder AC-Betrieb ist möglich. Sie werden verwendet als: Straßenbahnmotor (Dieser Artikel bezieht sich auf europäische Straßenbahnmotoren) Sie sind sehr einfach und ohne Schleifringe, wartungsarm und kostengünstig. Sie werden verwendet als: Antrieb für Maschinen § Förderbänder § Pumpen § Kompressoren § Aufzüge § Kräne § Fahrzeugantrieb (in Verbindung mit Elektronik für Geschwindigkeitswechsel). Sie werden eingesetzt in: 5.4 Schrittmotoren sind eine Art Bindeglied zwischen Mechanik und Elektronik. Sie werden verwendet für: das Laufwerk von Disketten- und CD-Laufwerken § das Laufwerk von Druckern § die Vorschubbewegung in CNC-Maschinen. Er besteht aus zwei Schrittmotoren und einem Rotor mit mehreren Turmmagneten. Die Bildung von Magnetpolen hängt von der Richtung des Stromflusses ab und welche Statorspule derzeit mit Strom versorgt wird.
Der Rotor wird durch die entstehenden Kräfte kurzzeitig in Bewegung gesetzt. Er dreht sich, solange sich zwei Pole mit unterschiedlichen Namen gegenüberstehen. Durch Ableitung des Stroms in einen anderen Stator (Der Stator ist der stationäre Teil eines rotierenden Systems, der in elektrischen Generatoren, Elektromotoren, Sirenen oder biologischen Rotoren zu finden ist) Spulen werden neue Pole erzeugt, die den nächsten Magneten anziehen, etc. Dieser Vorgang bewirkt, dass sich der Rotor in Bewegung setzt. Der Vorteil eines Schrittmotors (Ein Schrittmotor oder Schrittmotor oder Schrittmotor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, der eine volle Umdrehung in mehrere gleiche Schritte unterteilt) ist, dass er während einer Umdrehung immer die gleiche Position einnimmt. Kleine Abweichungen können ignoriert werden.

5.5 Linear (Linearität ist die Eigenschaft einer mathematischen Beziehung oder Funktion, d.h. sie kann grafisch als Gerade dargestellt werden) Motoren sind einfach und stabil aufgebaut, betriebssicher und wartungsarm. Der Wirkungsgrad und die Schubkraft sind geringer als bei herkömmlichen Antriebsmotoren. Ein Getriebe ist nicht erforderlich. Sie werden verwendet als: Induktionspumpe für flüssige Metalle § Türantrieb § Vorschubantriebe in Maschinen § Antriebe für Kranfahrwerke § Antriebe für interne Transportsysteme § Antriebe für Hochgeschwindigkeitsbahnen.
Abschließend möchte ich nur noch Folgendes sagen. Der Elektromotor (Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt) hat es uns in der heutigen Industrie und im Haushalt wesentlich erleichtert. Fast nichts wird durch Muskelkraft gemacht, sondern meist durch verschiedene Arten von Elektromotoren. Und das Gute ist, dass dies noch lange nicht das Ende ist, denn der Elektromotor wird immer besser und fortschrittlicher.