Techniklexikon

Elektromotor

BleiAkkumulatoren im Motormodell und der Bau von kleinen ferngesteuerten Motormodellen. Weitere Entwicklungsimpulse erhielt der E. durch die Anwendung von Solarzellen, mit denen Flüge nur mit der Energie des Sonnenlichts möglich wurden (Solarflug). Eine für die Einführung in den E. für Schüler gut geeignete Modellflugartist der E. rund um den Mast, der Ähnlichkeit mit dem Steuerleinenflug hat Die Flugmodelle werden durch Elektromotoren angetrieben und sind durch Leinen mit dem Mast verbunden. Die Leinen (CuKabel) verbinden die sich außerhalb des Modells befindliche Spannungsquelle mit dem Motor, der das E. Modell um einen Mast (Pylon) gefesselt kreisen läßt. Im Modellbau: Maschine, die elektrische in mechanische Energie umwandelt. Die mechanische Energie (= Kraft x Weg) wird für die verschiedensten Antriebsaufgaben im Modell benötigt, z. B. Antrieb des Modells, Erzeugung von Stellkräften für Ruder, Klappen, Lenkung, Segel, Fahrwerk u. a. Im Unterschied zu anderen 4 Motoren hat der E. folgende Vorteile: a) Leistung und Drehzahl sind stufenlos in beiden Drehrichtungen von Null bis Maximum stellbar (Fahrtregler), b) Leistung und Drehzahl können den Antriebsaufgaben durch Auswahl entsprechender Typen sehr gut angepaßt werden, c) der E. hat eine lange Lebensdauer und ist kurzzeitig hoch überlastbar, d) der E. arbeitet mit hohem Wirkungsgrad, fast geräuschlos und schmutzfrei (umweltfreundlich). Nachteilig ist für den E. und den Elektroantrieb insgesamt noch das hohe Gewicht von E. und Spannungsquelle Antriebsbatterie) im Verhältnis zur mechanischen Leistung und damit auch zur Betriebszeit. Von den verschiedenen Arten hat im Modellbetrieb bisher nur der Gleichstrommotor mit Dauermagneterregung (Permanentmagnetmotor) Bedeutung erlangt. Wegen des günstigeren Leistungsgewichts und Wirkungsgrads (vor allem bei kleinen E.) hat er auch den Gleichstrommotor mit Erregerwicklung abgelöst. Anwendungstechnische Hinweise: a) Beider Motorenauswahl Daten des Modells, wie Drehzahlbereich, Drehmoment und Leistungsbereich sowie Kennlinienfelder zugrunde legen. Bei Grenzfällen den E. der höheren Leistungsklasse wählen. Arbeitspunkt im Kennlinienfeld durch Anpassung über Getriebe, Luft- oder Schiffsschraube zwischen Leistungs- und Wirkungsgradmaximum legen. E. auf dem Prüfstand untersuchen bzw. dessen Kennlinien aufnehmen, b) Betriebszeit vor Motorauswahl ermitteln. Bei Kurzzeitbetrieb (Betriebsart) können E. kleinerer Leistung verwendet werden, da sie kurzzeitig überlastbar sind, c) Die Kühlung des E. muß auf die Verlustleistung und Betriebszeit abgestimmt sein. Beim Einbau des E. auf ausreichende Kühlung achten (Kühlluftführung, Kühlluftmenge, evtl. Montage auf oder Anbringung von Kühlflächen), d) Einbau des E. im Modell muß so erfolgen, daß nur geringe Verluste bei der Kraftübertragung entstehen (Zentrieren der Wellen, wenige, aber gute Lager u. a.). E. vor Wasser und Staub, besonders Eisenspänen oder teilen (Schrauben u. a.) schützen. Der kräftige Dauermagnet zieht selbst kleinste Eisenteilchen kräftig an, die man dann nicht oder nur schlecht wieder entfernen kann. Schlag- und Stoßbeanspruchung sowie hohe Temperaturen meiden, da sie die Remanenz des Magneten mindern (Leistung des E. sinkt) sowie die Wicklung beschädigen können. Einschalten unter Vollast mindert ebenfalls die Remanenz, e) Betriebenes E. möglichst nur mit der Nennspannung. Bei erhöhter Klemmenspannung zur Leistungssteigerung auch erhöhte Drehzahl ermöglichen, sonst wird der Motor thermisch überlastet. Bei Überspannungsbetrieb steigt der Störpegel desE. stark an, so daß u. U. die Fernsteuerung beeinträchtigt wird, f) Bei der Auswahl des E. auf einwandfreie Stromwendung und damit geringen Störpegel achten. E. gut entstören (Entstörung). Wenn möglich, die Bürsten am E. so einstellen, daß in beiden Drehrichtungen (falls erforderlich nur für Drehrichtung) bei einwandfreier Stromwendung (keine Funken am Kommutator, keine HFStörungen) die Nennleistung erreicht wird (Prüfstandversuche), g) Einlaufen des neuen E. bei halber Nennspannung erfolgt im Leerlauf etwa 30 Minuten lang. Den abgenutzten Kommutator (Rillen in der Lauffläche, überstehende Isolation) abdrehen und evtl. die Kohlebürsten ersetzen und neu einschleifen. Elektrodynamik und Elektrotechnik, eine Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Der Elektromotor ist also das Gegenstück des Generators, welcher mechanische in elektrische Energie umwandelt. Generell besitzt ein Elektromotor ein von einer Erregerwicklung (Spule) erzeugtes magnetisches Hauptfeld (Erregerfeld), das auf den Strom in einer zweiten, der Ankerwicklung, eine Kraft oder ein Drehmoment ausübt. Weiter gibt es immer einen feststehenden (Ständer, Stator) und einen beweglichen Teil (Läufer, Rotor). Dabei trägt entweder der Ständer die Erreger- und der Läufer die Ankerwicklung (Aussenpolmaschine) oder umgekehrt (Innenpolmaschine). Die Ankerwicklung erzeugt ihrerseits ein Magnetfeld, das das Hauptfeld stört. Diese Ankerrückwirkung kann durch zusätzliche Wicklungen behoben werden (Verbundwicklung, Kompensationswicklung). Das die Ankerwicklung tragende Bauteil wird Anker genannt.

Man unterscheidet zwischen Linear- und Rotationsmotoren: Bei ersteren bewegt sich ein Metalläufer auf zwei geraden, gleichstromdurchflossenen Schienen in einem dazu senkrechten Magnetfeld aufgrund der Lorentz-Kraft parallel zur Stromrichtung. Dieser Motor hat nur wenige Anwendungen, z.B. zum Antrieb der ausfahrbaren Schublade in CD-Spielern. Wesentlich häufiger und in Technik und Alltag fast allgegenwärtig sind dagegen Rotations-Elektromotoren, daher wird der Begriff »Elektromotor« oft als Synonym für den Rotationsmotor gebraucht. Bei diesem übt das Hauptfeld auf den Strom im Anker ein Drehmoment aus, wodurch das jeweils drehbar gelagerte Bauteil in Rotation versetzt wird. Über eine Welle kann diese Drehbewegung nach aussen übertragen werden.

Je nach Art der Stromversorgung unterscheidet man Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren und Drehstrommotoren. Gleichstrommotoren haben feste Erregerwicklungen und einen beweglichen Anker, der Läufer trägt also die Ankerwicklung (Aussenpolmaschine). Um eine kontinuierliche Drehung aufrechtzuerhalten, muss die Stromrichtung in den Ankerwicklungen regelmässig umgepolt werden; dies geschieht mit einem Kommutator oder Stromwender. Die Stromverbindung zum rotierenden Anker stellen Schleifringe oder Bürsten her. Bei Gleichstrommotoren wird noch einmal danach unterschieden, ob Erreger- und Ankerwicklung in Reihe (Hauptschlussmotor, Reihenschlussmotor) oder parallel (Nebenschlussmotor) geschaltet sind. Eine Zwischenstellung nimmt der Compoundmotor (Doppelschlussmaschine) ein. Haupt- und Nebenschlussmotoren haben verschiedene Winkelgeschwindigkeits-Drehmoment-Kennlinien (Momentenkennlinie): Beim Hauptschluss steigt die Drehzahl bei abnehmender Belastung stark an (der Motor »geht durch«), bei Nebenschluss variiert die Drehzahl nur um 5-10 % zwischen Leerlauf und Vollast. Nebenschlussmotoren gehen nur durch, wenn die Erregerwicklung unterbrochen wird. Bei Nebenschlussmotoren kann die Drehzahl leicht über das Erregerfeld geregelt werden.

Da sich die Drehrichtung beim Hauptschlussmotor nicht ändert, wenn Erreger und Anker gleichzeitig umgepolt werden, ist dieser auch für Wechselstrom geeignet, wenn die Wirbelstromverluste klein gehalten werden (Universalmotor), er wird daher häufig als Kleinmotor bei Haushalts- und Büromaschinen eingesetzt. Wegen des guten Anfahrmoments dienen Wechselstrom-Hauptschlussmaschinen auch als Motoren von Eisenbahnlokomotiven, hier wird jedoch zur Vermeidung von zu hohen Funkenspannungen die Betriebsfrequenz auf 16,66 Hz, d.h. 1 / 3 der normalen Netzfrequenz von 50 Hz, herabgesetzt. Weitere gebräuchliche Wechselstrommotoren sind der mit dem Drehstrom-Asynchronmotor verwandte Kondensatormotor (Induktionsmotor, Asynchronmotor) und der Spaltpolmotor.

Beim synchronen Drehstrommotor besteht der Ständer aus drei Ankerwicklungen im Winkelabstand von 120°, die mit den drei Phasen einer Drehstrom-Leitung verbunden sind. Diese erzeugen ein Drehfeld, welches den Läufer in Rotation versetzt. Der Läufer ist meist ein gleichstromerregter Elektromagnet. Beim asynchronen Drehstrommotor (Asynchronmotor) besteht der Läufer meist aus einem »Käfig« aus kurzgeschlossenen Metallstäben (Kurzschluss-, Käfigläufer), welcher dem Drehfeld asynchron hinterherläuft. Aufgrund der einfachen Bauweise ohne Schleifring, Bürsten oder Drahtwicklungen ist dieser Motor weit verbreitet, er hat jedoch eine starre Drehzahl. Der Drehstrommotor mit Schleifringläufer ist komplizierter gebaut, erlaubt jedoch eine, wenn auch verlustbehaftete, Drehzahlregelung und ein grösseres Anlaufmoment. Der noch kompliziertere Drehstrom-Kommutatormotor ermöglicht eine verlustfreie Drehzahlregelung.

Elektromotor 1: Legt man an eine Generatorspule eine Wechselspannung der Frequenz w an, so wird der Generator zum Motor.

Elektromotor 2: Ein einfacher elektrischer Motor in Form eines Metallstabes, der auf Metallschienen mit der Geschwindigkeit  v  gleitet, in einem Magnetfeld B. An die Schienen ist eine Gleichspannungsquelle der Spannung U_Q über einen Widerstand R angeschlossen, die einen Strom der Stärke I erzeugt.

Elektromotor 3: Einfacher elektrischer Rotationsmotor. Die Stromrichtung wird durch Kreuze bzw. Punkte dargestellt.

 

Elektromotor 4: Motor eines Rennwagens für eine Modellrennbahn, bei dem die obere Gehäusehälfte entfernt wurde. Die Achse (1) läuft in Lagern (2), die sich auf der rechten und linken Seite befinden. Der Anker besteht aus zwölf dünnen Plättchen (3) aus leicht magnetisierbarem Material, die miteinander verklebt sind. Die Plättchen sind so geformt, dass drei Nuten und drei Pole entstehen. Die Schlitze sind so gross, dass viele Windungen Platz finden. Die gesamten Windungen um einen Pol nennt man eine Wicklung. Die Wicklungsenden sind miteinander verlötet (4) und mit den Kommutatorsegmenten verbunden (5). Im Gehäuseinnern sind Permanentmagnete angebracht (6), die das Statorfeld erzeugen. An die äusseren Anschlüsse (7) wird eine Spannung angelegt. Der Strom fliesst durch die obere haarnadelförmige Bürste (8). Von dort fliesst er weiter zum oberen Kommutatorsegment, durch die Verbindungsleitungen und über das untere Kommutatorsegment (9) zurück zur Spannungsquelle. Die einzelnen Kommutatorsegmente sind gegeneinander isoliert (10). Man kann die Funktion des Motors durch zwei unterschiedliche Ansätze beschreiben: Entweder erklärt man das Motordrehmoment durch die Wechselwirkung des Ankerstroms mit einem stehenden Magnetfeld, oder man führt das Motordrehmoment auf die Wechselwirkung der feststehenden Magneten mit den wechselnden magnetischen Polen, die der Strom in den Ankerwicklungen erzeugt, zurück. Eine sorgfältige Analyse zeigt, dass beide Ansätze im Grunde gleich sind.