ELEKTROMOTORE
by
Heiko Hamberger
Historie:
Bereits 1821 konstruierte Faraday eine einfache Anordnung, bei der die magnetische
Wirkung des elektrischen Stromes zur Aufrechterhaltung einer rotierenden Bewegung
angewandt wurde. Den ersten wirklich arbeitsfähigen Gleichstrommotor baute
1834 von Jakobi. Erst ab etwa 1880, mit dem Aufbau elektrischer Netze, ergab
sich die Möglichkeit, elektrische Antriebe rationell zu verwenden. Besonders
wichtig für diese Entwicklung war die Entdeckung des dynamoelektrischen
Prinzips durch Siemens im Jahre 1866 und der Bau eines praktisch brauchbaren
Drehstrommotors durch Dolivo-Dobrowolski 1889.
Aufgabe:
Elektromotoren sind Energiewandler, die elektrische Energie in mechanische Energie
zum Antrieb von Maschinen, Fahrzeugen u.ä. umwandeln. Elektromotoren werden
als Kleinstmotoren mit Antriebsleistungen von weniger als 1 Watt bis zu Grossmaschinen
von über 30000 KW gebaut. Sie haben als robuste Antriebsmaschinen mit vorteilhaftem
Betriebsverhalten und sehr gutem Wirkungsgrad in Antrieben für Industrie,
Transportwesen, Haushalt und Gewerbe ihren Platz gefunden.
Aufbau:
Da die vom Elektromotor an seiner Welle bereitgestellte mechanische Leistung
zur Arbeitsmaschine übertragen werden muss, kann die Betriebslage und Befestigungsart
des Motors je nach Verwendungszweck sehr verschieden sein. Das erfordert eine
unterschiedliche äussere konstruktive Gestaltung bei sonst gleichen Betriebsdaten
des Motors. Es gibt Fuss- bzw. Flanschmotoren in waagerechter oder senkrechter
Einbaulage. Die Kühlung erfolgt über Kühlrippen und oder über
einen Lüfter.
Bauteile:
- Gehäuse mit Luftschlitzen, Kühlrippen
und Befestigungsvorrichtungen (kennt doch jeder)
- Läufer mit Lüfterrad (setzt die Drehbewegung des elektrischen Feldes
in mechanische Energie um)
- vorderes und hinteres Lagerschild (selbsterklärend)
- Klemmbrett (auch klar)
- Ständerwicklung (hat die Aufgabe, ein magnetisches Feld zu erzeugen und
dieses auf den Läufer bzw. Anker zu induzieren)
Wirkprinzip:
Ausgewählt habe ich das Beispiel Drehstromasynchronmotor. Der meist ringförmige
(Ausnahme Linearmotor) und aus vielen dünnen, voneinander isolierten Blechen
zusammengepresste Ständer (Blechpaket), ist längs der Bohrungsoberfläche
mit axialen Nuten versehen, in denen die Wicklung liegt. Diese besteht aus 3
gleichen Strängen, die mit den 3 nicht geerdeten Aussenleitern des Drehstromnetzes
verbunden werden (Stern oder Dreieck). Die 3 Spannungen des Drehstromnetzes
erreichen zeitlich nacheinander ihren Höchstwert, so dass auch die magnetischen
Flüsse der 3 Ständerwicklungsstränge nacheinander ihren Höchstwert
erlangen. So entsteht in der Ständerbohrung ein Gesamtfluss, dessen Höchstwert
zu verschiedenen Zeitpunkten an verschiedenen Stellen des Bohrumfangs auftritt.
Das magnetische Feld läuft praktisch längs der inneren Oberfläche
des Ständerblechpaketes um. Solange die Drehzahl des Läufers (Käfigläufer,
Kurzschlussläufer (bei schwierigen Anlassverfahren (hohe Ströme, Sanftanlauf)
auch Schleifringläufer)) von der synchronen Drehzahl des Ständerdrehfeldes
abweicht, werden in der Läuferwicklung Ströme induziert (Induktionsmotor)
die ein Drehmoment hervorrufen, das den Drehzahlunterschied zu verringern sucht.
Daher ändert sich die Drehzahl des Asynchronmotors mit der Belastung. Im
Leerlauf erreicht er nahezu Synchronität, bei Nennlast stellt sich ein
Drehzahlunterschied zwischen Ständerdrehfeld und Läufer ein, der als
Schlupf (nD-nL/nD*100%) bezeichnet wird und je nach Motorgrösse 0.5 - 10%
der synchronen Drehzahl beträgt.
Wird in den Drehstromständer ein Läufer mit Magnetpolen (Polrad) eingebaut,
so entsteht ein Synchronmotor. Die festen Magnetpole werden durch Elektromagnete
(selten auch Dauermagnete) mit einer meist über Schleifringe gespeisten
Erregerwicklung gebildet. Beim Synchronmotor muss der das Polrad tragende Läufer
stets mit der gleichen Drehzahl wie das Ständerdrehfeld (synchron) umlaufen,
wenn ein Drehmoment übertragen werden soll. Bei sich ändernder Belastung
ändert sich daher die Drehzahl nicht. Wird der Synchronmotor stark überlastet,
so bleibt er stehen und entnimmt dabei dem Netz einen unzulässig grossen
Strom der ihn zerstören kann. Um vom Stillstand auf die Synchrondrehzahl
zu kommen, benötigt der Synchronmotor besondere Hilfseinrichtungen (z.B.Anlasswiderstände).
Typen:
Es gibt Drehstrommotoren, Wechselstrommotoren und Gleichstrommotoren. Die beiden
im Drehstromnetz vertretenen Motortypen sind der Asynchron- und der Synchronmotor.
Im Gleichstromnetz gibt es den fremderregten Motor, Nebenschlussmotor, Reihenschlussmotor,
Schrittmotor und Doppelschlussmotor. Der Fremderregte Motor und der Nebenschlussmotor
haben fast die gleichen Eigenschaften (geringfügige Drezahländerung
bei Belastungsänderung und Drehzahländerung über Ankerspannung
oder Feldstrom). Der Reihenschlussmotor hat ein hohes Anlaufdrehmoment , die
Drehzahl ist lastabhängig und der Motor geht bei Leerlauf evtl. durch.
Der Doppelschlussmotor hat ein Nebenschlussverhalten .
Im Wechselstromnetz gibt es den Spaltmotor (Nebenschlussverhalten und schlechter
Wirkungsgrad), Einphasenmotor mit Hilfswicklung, und den Kondensatormotorer.
Anlassverfahren:
Es gibt den Anlasswiderstand, den Anlasstransformator die Frequenzsteuerung
und die Stern - Dreieck - Schaltung. Motoren über 4 KW bzw. 60A (diese
Angaben schwanken) müssen angelassen werden, da der Anlassstrom zu einer
hohen Belastung des speisenden Netzes und dadurch zu einer störenden Spannungsabsenkung
führen kann. Bei der Stern-Dreieck-Schaltung zum Beispiel wird mit Hilfe
einer verminderten Spannung an der Motorwicklung die Stromstärke während
des Anlaufvorganges verringert. Die Drehstromwicklung wird beim Anlauf in Stern,
nach dem Hochlaufen in Dreieck geschaltet.Da in der Sternschaltung bekanntlich
nur das 0,58-fache der anliegenden Leiterspannung an jedem Strang anliegt, führt
diese verringerte Spannung zu einer Anlaufstrom- und Anzugsmomentverringerung.
Ein Anlaufen unter Last ist hier nicht möglich.
Motorschutz:
Als Motorschutz dienen Motorschutzschalter bzw. Motorschutzrelais. Durch einen
Motorschutzschalter kann man den Motor betriebsmässig Ein - und Ausschalten
und vor unzulässig hohen Strömen schützen. Jeder Motorschutzschalter
ist mit einem auf bestimmte Stromwerte einstellbarem thermischen Bimetallauslöser
ausgestattet, der vom Motorstrom durchflossen wird. Steigt die Stromstärke
über den eingestellten Wert so biegt sich das Bimetall aufgrund der übermässigen
Erwärmung und trennt den Motor vom Netz (thermische Auslösung). Ergänzt
wird der Motorschutzschalter meist durch einen elektromagnetischen Schnellauslöser.
Dieser schaltet bei möglichen Kurzschlussströmen unverzögert
ab.
Leistungsschild:
Das Leistungsschild gibt Auskunft über die wichtigsten Kenndaten des Motors.
Es enthält Angaben über physikalisch - technische Grössen und
bauliche Besonderheiten . Anhand dieser Daten kann die Eignung des Motors auf
Zusammenarbeit mit dem Netz und der aufzutreibenden Arbeitsmaschinen festgestellt
werden.
- Motorart
- Nenneistung (an der Welle abgegebene mechanische
Leistung bei Nennlast)
- Hersteller
- Stromart (Wechsel- oder Gleichstrom)
- Nennspannung mit dazugehöriger Schaltungsart
(Stern oder Dreieck)
- Nennstrom
- Drehzahl (bezieht sich immer auf den Läufer)
- Frequenz
- Leistungsfaktor
- Isolierklasse (sagt aus, welchen Temperaturen
der Motor bei bestimmten Betriebsarten ausgesetzt werden darf)
- Gewicht des Motors
- Schutzart
- VDE-Nummer
- Betriebsart:
S1-Dauerbetrieb
S2-Kurzzeitbetrieb
S3-Aussetzbetrieb (Belastung...Pause)
S4-Aussetzbetrieb (Anlauf...Belastung...Pause)
S5-Aussetzbetrieb (Anlauf...Belastung...Bremsung...Pause)
S6-ununterbrochener periodischer Betrieb (Belastung...Leerlauf)
S7-ununterbrochener periodischer Betrieb (Anlauf...Belastung...Bremsung)
S8-ununterbrochener periodischer Betrieb (Belastung 1...Belastung 2)
S9-ununterbrochener nichtperiodischer Betrieb (Belastung und Drehzahl)