Grundlagen, Typen und Verluste von Elektromotoren

Grundlagen des Elektromotors

Der Elektromotor wandelt elektrische Energie (Gleichstrom) durch Rotation beweglicher Teile in mechanische Energie um.

Stator

Der Stator ist der feste Teil des Motors, der für die Erzeugung des Magnetfeldes verantwortlich ist. Er besteht aus einer Reihe von Spulen, den Erregerspulen, die um die Pole des Elektromagneten gewickelt sind. Diese Pole sind im Gehäuse befestigt.

Rotor

Der Rotor ist der bewegliche Teil des Motors. Er besteht aus einem weiteren Satz von Spulen, den Ankerspulen (oder induzierten Spulen), die in die Nuten eines Eisenkerns gewickelt sind. Die Enden der Spulen sind mit einer Reihe von dünnen Kupferplatten, den Kollektorlamellen, verschweißt, die den Kommutator bilden. Dieses Set ist auf einer Welle montiert.

Bürsten und Kommutator

Zusätzlich verfügt der Motor über Bürsten, die in Bürstenhaltern montiert sind. Diese Bürsten stehen in ständigem Kontakt mit dem Kommutator und liefern elektrischen Strom an die Ankerspulen.

Gegen-EMK

Die Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) tritt auf, wenn die Maschine in Betrieb geht. Motoren absorbieren eine Netto-EMK in der Ankerwicklung und rotieren in einem Magnetfeld, das von der Erregerspule erzeugt wird. Dies induziert wiederum eine Spannung, die der durch die Wicklung fließenden Spannung entgegengesetzt ist und als Gegen-EMK wirkt. Beim Start ist diese Gegen-EMK Null.

Typen von Elektromotoren

Reihenschlussmotor

Der Reihenschlussmotor zeichnet sich durch ein hohes Anlaufdrehmoment aus und liefert den größten Drehmomentanstieg bei einem bestimmten Strom. Seine Drehzahl variiert stark mit der Belastung, wodurch die Leistung nahezu konstant bleibt. Daher kann man ihn als Motor mit ungeregelter Leistung bezeichnen. Er darf nicht ohne Last (im Leerlauf) betrieben werden, da die Gefahr des Durchgehens besteht (Galoppieren). Einsatzgebiete sind beispielsweise Straßenbahnen oder Kräne. Wenn der Ankerstrom gegen Null geht, steigt die Drehzahl stark an; wenn das Drehmoment gegen Null geht, nimmt die Drehzahl hohe Werte an.

Nebenschlussmotor

Die Drehzahl des Nebenschlussmotors bleibt weitgehend konstant, unabhängig von der Belastung. Er wird in Maschinen eingesetzt, bei denen eine konstante Drehzahl erforderlich ist, wie z.B. in Werkzeugmaschinen oder bei Anwendungen, wo das Lastmoment plötzlich aufgehoben werden kann. Das Drehmoment ist proportional zum Strom. Er verfügt über eine Selbstregulierung der Drehzahl: Wenn die Drehzahl steigt, nimmt das Drehmoment ab, und wenn die Drehzahl sinkt, erhöht sich das Drehmoment.

Compoundmotor (Doppelschlussmotor)

Der Compoundmotor (Doppelschlussmotor) weist Eigenschaften auf, die zwischen denen des Reihenschluss- und des Nebenschlussmotors liegen. Er kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine nicht dringend benötigte konstante Drehzahl und ein hohes Drehmoment erforderlich sind.

Verluste und Wirkungsgrad

Wir definieren Leistung als die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit. Wir können von Nutzleistung sprechen, die von der Maschine erzeugt wird, und von Nennleistung oder aufgenommener Leistung, die von der Maschine verbraucht wird. Wenn eine Maschine mit Nennleistung arbeitet, bedeutet dies, dass sie voll ausgelastet ist. Wenn sie eine geringere Leistung als die Nennleistung erbringt, kann sie bei halber Last, Dreiviertellast usw. betrieben werden. Die Nutzleistung hängt von den Widerstandsmechanismen des Motors ab. Es ist die Energiebilanz. Wir müssen bedenken, dass die abgegebene Leistung eines Motors immer geringer ist als die aufgenommene Leistung. Verluste entstehen durch:

Kupferverluste

Diese werden durch den Joule-Effekt verursacht, der durch die Kollision von Elektronen mit Metallionen entsteht und Energie als Wärme abgibt.

Eisenverluste

Das Eisen wird verwendet, um die magnetischen Feldlinien zu konzentrieren. Es entstehen Wirbelströme durch Induktion in festen Leitern aufgrund der Variation des magnetischen Flusses, der sie durchdringt. Dabei geht Energie in Form von Wärme (Joule-Effekt) verloren. Daher sind die Kerne aus laminiertem Eisen gefertigt, um diese Ströme zu verhindern oder zu schwächen. Auch Hystereseverluste treten in Form von Wärme auf, verursacht durch die zyklische Magnetisierung mit einem Magnetfeld, das seine Richtung wechselt (wie bei Wechselstrommotoren). Dies wird durch die Verwendung von hochwertigem Magnetblech vermieden.

Stabilität von Elektromotoren

Mechanische Verluste

Diese entstehen durch die Reibung der beweglichen Teile wie Lager, Bürsten usw.

Eine Maschine ist stabil, wenn sie auf eine Änderung der charakteristischen Werte (z.B. der Nenndrehzahl) automatisch mit einer Korrekturmaßnahme reagiert, die sie zum Nennbetriebszustand zurückführt. Sie ist instabil, wenn sie auf eine Variation der charakteristischen Werte automatisch mit einer Aktion reagiert, die die Veränderung verstärkt.

• Wenn die Drehzahl eines Motors sinkt, steigt das Drehmoment bei einem stabilen Motor weniger stark an als das Lastmoment, und er erreicht ein neues Gleichgewicht. Bei einem instabilen Motor steigt das Drehmoment jedoch stärker an, was zu einer weiteren Erhöhung der Drehzahl führt.
• Wenn die Drehzahl eines Motors steigt, erhöht sich das Drehmoment bei einem stabilen Motor stärker als das Lastmoment, und er erreicht ein Gleichgewicht. Bei einem instabilen Motor sinkt die Drehzahl jedoch weiter, und somit auch das Drehmoment.