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E- Motor. N. Kraftflussdichte B des Feldes. Elektronenfluss-richtung im Leiter. F : Kraft auf den Leiter. Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters. I. S. F. B. 3.2 Elektrische Maschinen. Pv mit Q, . 3.2.2 Elektromotoren. P 2 mit M,n. P 1 mit U,I oder U,I,f,cos  oder

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

E- Motor

N

Kraftflussdichte B des Feldes

Elektronenfluss-richtung im Leiter

F: Kraft auf den Leiter

Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters

I

S

F

B

3.2 Elektrische Maschinen

Pv mit Q,

3.2.2 Elektromotoren

P2 mit M,n

P1 mit U,I oder

U,I,f,cos oder

3U, 3I, f, cos

Elektromotoren sind Energiewandler

Je nach angewendeter Stromart werden Gleich-, Wechsel- und Drehstrommotoren eingesetzt.

Physikalische Grundlage:

Kraftwirkung auf die bewegte elektrische Ladung

Feldlinien verstärken sich

Feldlinien schwächen sich

Feld-, Strom- und Kraftrichtung sind senkrecht zueinander

F: Kraft in N

B: Kraftflussdichte in Vsm-2

I: Stromstärke in A

l: wirksame Leiterlänge in m

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein

Elektronik/Elektrotechnik – 3.2.2 Elektromotoren

slide2

Klemmenkasten

Ständer aus Eisen

Wicklungsköpfe

neutrale Zone

Ständerwicklung

Polschuhe

Aufbau des Gleichstrommotors

Ständer und Ständerfeld

Kühlrippen

N

S

Ständer oder Stator eines Gleichstrommotors, die Polschuhe und Wicklungen liegen im Vergleich zum Schema um 90° verdreht im Gehäuse.

  • Eigenschaften von Feldlinien:
  • treten senkrecht aus Oberflächen aus und ein,
  • verlaufen, wenn möglich, parallel zueinander,
  • bilden im Ständer einen geschlossenen Kreis.

Ständerwicklung wird mit Gleichstrom gespeist

Ständermagnetfeld entsteht

Nord- und Südpol bilden sich aus

Senkrecht zur Feldrichtung liegt die neutrale Zone

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slide3

N

neutrale Zone

S

N

S

N

S

Entstehung des Drehmoments in einer Leiterschleife

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

N

S

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.

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 Leiterschleife dreht sich weiter, bis sich Nord- und Südpol von Ständer und Leiterschleife gegenüberstehen. Dann entsteht kein Drehmoment mehr.

Die technische Zielstellung besteht darin, die Drehbewegung bei Erhaltung des Drehmoments kontinuierlich fortzusetzen.

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Kugellager

Kollektor mit Lammellen

Läuferwelle

Läuferwicklungen

(Wicklungsköpfe)

Blechpaket mit Nuten für die Wicklungen

Der Läufer (Rotor)

Eine vollständig rotierende Leiterschleife nennt man Läufer oder Rotor.

Beim wirklichen Motor besteht der Läufer aus mehreren Läuferwicklungen, die auf einen Eisenkern gewickelt sind.

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.

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Oberseite der Wicklung

Unterseite der Wicklung

6

4

6

5

2

1

3

S

S

S

N

N

N

1

2

3

4

5

6

_

_

_

UL

UL

UL

+

+

+

Aufbau der Läuferwicklung

Trommelankerwicklung mit 6 Spulen

Aufbau der Läuferwicklung im abgewickelter Darstellung

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

Der Läufer hat eine halbe Umdrehung gemacht.

Kollektorlammellen in abgewickelter Darstellung

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!

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Ständer mit Feld

N

S

N

neutrale Zone

S

Wirkungsweise der Maschine – Zusammenwirken von Ständer- und Läuferfeld

Läufer mit Feld

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.

Die Läuferwicklung führtin der neutralen Zone keinen Strom weil die Kohlebürsten beim Übergang von einer Kollektorlammelle zur nächsten jeweils die benachbarten Lamellen kurz schließen.

Beim Betrieb der Maschine stehen beide Magnetfelder in Wechselwirkung miteinander. Sie bilden ein Gesamtfeld

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neutrale Zone

Kohlebürsten mit Andruckfeder

Bürstenbrücke

Kollektorlammellen

Bürstenhalter

Das resultierende Magnetfeld

Das Ständer und das Läufermagnetfeld mussen senkrecht zueinander stehen. Deshalb wird das Läuferfeld auch Ankerquerfeld genannt.

N

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.

N

Damit verschiebt sich die neutrale Zone.

S

Die Folge ist, dass auch die Kohlebürsten zur Zuleitung des Läuferstromes in die neutrale Zone gedreht werden müssen.

S

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.

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Ständerwicklung

IS= IL

IL

IS

U

U

U0

Läuferwicklung mit Kollektor und Kohlebürsten

U0

M

M

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.

Reihenschlussmotor

Nebenschlussmotor

Wenn der Läufer im Magnetfeld des Ständers rotiert, dann entsteht in der Läuferwicklung eine Induktionsspannung U0. Die Induktionsspannung muss ihrer Ursache, also der Betriebsspannung U, entgegengerichtet sein. Sie wirkt wie ein Widerstand und begrenzt den Läuferstrom IL.

Je größer die Belastung M des Motors, desto geringer die Drehzahl n, desto kleiner die Induktionsspannung U0,desto größer der Läuferstrom IL.

U: Betriebsspannung; I: Gesamtstrom; IL:Läuferstrom; IS: Ständerstrom; U0: Induzierte Läuferspannung; RL: Ohmscher Widerstand des Läufers

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n

n

M

I

I

M

M

M

Betriebsverhalten:

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 U0 wird kleiner. Folglich muss die Gesamtstromstärke I des Motors steigen.

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.

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.

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M

Anwendung des Reihenschlussmotors bei Wechselstrom – der Universalmotor

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.

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Generator

E- Motor

Pv mit Q,

Pv mit Q,

P2 mit U,I

P1 mit M,n

P2 mit M,n

P1 mit U,I

Gleichstromgeneratoren

Gleichstrommotoren können auch als Generatoren verwendet werden. Dabei Ändert sich die Energieflussrichtung.

Gedankenexperiment:

Eine mit einem Gleichstrommotor angetriebene Straßenbahn durchfährt eine Ebene. Der Motor wird mit der Betriebsspannung U und der Betriebsstromstärke IB aus dem Fahrleitungsnetz versorgt.

Die aufgenommene Stromstärke I wir durch die im Läufer induzierte Gegenspannung U0 begrenzt.

Die Bahn beginnt eine Talfahrt, wobei sie einen Hang hinabrollt und ihre Geschwindigkeit erhöht.

Die Motordrehzahl n die Gegenspannung U0 steigen, bis U0 den Betrag der Betriebsspannung U erreicht hat.

Die Bahn rollt ohne Stromaufnahme den Hang hinab.

Der Hang wird steiler, die Geschwindigkeit erhöht sich, mit ihre die Motordrehzahl.

Die Folge ist, dass die induzierte Gegenspannung U0 größer wird als die Betriebsspannung U. Der Motor ist zum Generator geworden und speist jetzt Strom in das Fahrleitungsnetz ein.

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