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gleichstrommotor

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gleichstrommotor [2010/04/29 18:32] (aktuell)
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 +^[[Kategorien]]:​ [[Kategorie Motoren]]^
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 +====== Gleichstrommotor (Gleichstrommaschine) ======
 +FIXME
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 +Verändert aus: http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Gleichstrommotor
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 +Unter einer Gleichstrommaschine versteht man einen [[Elektromotor]],​ der mit Gleichstrom betrieben wird, oder einen Generator, der umgekehrt mechanische Energie in Gleichstrom wandelt. In einigen Anwendungsfällen kann ein Gerät auch beide Funktionen erfüllen.
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 +Sie besteht aus einem unbeweglichen Teil, dem [[Stator]], und einem drehbar gelagerten Teil, dem [[Rotor]]. Die meisten Gleichstrommotoren sind als Innenläufer ausgeführt:​ der Rotor ist der innere Teil, der Stator der äußere. Beim Außenläufer ist es umgekehrt. Bei konventionellen Gleichstrommaschinen besteht der Stator aus einem Elektromagneten oder bei kleineren Maschinen einem [[Permanentmagnet]]en. Der Rotor wird bei konventionellen Maschinen [[Anker]] genannt.
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 +===== Aufbau =====
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 +Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer Gleichstrommaschine
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 +{{http://​upload.wikimedia.org/​wikipedia/​de/​5/​52/​Gleichstrommaschine.PNG}}
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 +Die Wicklung des Ankers wird über den [[Kommutator]] angeschlossen. Die Kontakte ("​Bürsten"​) des Kommutators sind so aufgebaut, dass sie während der Drehung ständig die Polung der Ankerwicklung wechseln. Sie sind aus einem Material gefertigt, welches gut elektrisch leitet, aus dem [[Wechselstrom]] des Rotors [[Gleichstrom]].
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 +Nach der Art der Schaltung von Rotor und Statorwicklung unterscheidet man:
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 +===== Reihenschlussmaschine =====
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 +Eine Abwandlung des Gleichstrommotors zur Nutzung mit Wechselstrom,​ genannt Reihenschlussmaschine
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 +{{http://​upload.wikimedia.org/​wikipedia/​de/​4/​46/​Reihenschlussmaschine.PNG}}
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 +Auch Hauptschlussmaschine genannt. Hier sind Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschaltet. Dadurch wechseln Erregerfeld und Ankerstrom ihre Richtung synchron, so dass eine Speisung mit Wechselstrom möglich wird. Solche Maschinen wurden als Bahnantriebe (siehe Einphasenreihenschlussmotor) in Wechselstromnetzen eingesetzt. Unter dem Begriff Universalmotor oder Allstrommotor werden die Antriebe von Haushaltsmaschinen,​ Bohrmaschinen etc. zusammengefasst.
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 +Die Drehzahl von Reihenschlussmotoren ist stark lastabhängig. Sinkt das abgegebene [[Drehmoment]],​ so steigt wegen des geringeren Stroms und der damit einhergehenden Feldschwächung die Drehzahl des Ankers. Das kann so weit führen, dass der Motor "​durchgeht",​ was bedeutet, dass sich der Motor wegen der auftretenden Fliehkräfte selbst zerstört. Deshalb sollten Reihenschlussmotoren mit einer Grundlast (Motorlüfter,​ Getriebe etc.) betrieben werden.
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 +===== Nebenschlussmaschine =====
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 +{{http://​upload.wikimedia.org/​wikipedia/​de/​9/​99/​Nebenschlussmaschine.PNG}}
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 +Bei der Nebenschlussmaschine oder [[Nebenschlussmotor]] sind Erreger- und Ankerwicklung parallel geschaltet. Ein Wechselspannungsbetrieb ist nicht üblich, da hierfür Erreger- und Ankerstrom in Phase sein müssten, d.h. Anker- und Erregerwicklung gleiche Induktivität (und [[Widerstand]]) haben müssen. Oft wird nicht zwischen Nebenschluss- und fremderregter Maschine unterschieden und dabei übersehen, dass eine Verringerung der Ankerspannung zu einer Feldschwächung führt. Die Drehzahl eines Motors mit Nebenschlussverhalten ist nahezu lastunabhängig. Nebenschlussmotoren können bei Unterbrechung des Erregerkreises durchgehen.
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 +===== Verbundmaschine =====
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 +Der Doppelschlussmotor (auch Verbund-oder [[Compoundmotor]] genannt) vereinigt die Eigenschaften des Neben- und des Reihenschlussmotors in einer Maschine. Er hat eine Reihenschluss- und eine Nebenschlusswicklung. Je nach Auslegung hat der [[Doppelschlussmotor]] unterschiedliches Betriebsverhalten. Bei richtiger Kompoundierung hat er ein etwas geringeres Anzugsdrehmoment als ein gleichwertiger [[Reihenschlussmotor]]. Seine Drehzahl sinkt dann bei Belastung etwas mehr ab, als die eines entsprechenden Nebenschlussmotors. Bei Leerlauf geht er nicht durch. Wird der Doppelschlussmotor überkompoundiert,​ so hat er vorwiegend Reihenschlussverhalten also ein hohes Anzugsmoment aber eine instabile Drehzahl. Bei Unterkompoundierung hat er überwiegend Nebenschlussverhalten also hohe Drezahlstabilität aber geringeren Anzugsmoment. Der Doppelschlussmotor wird wegen seines gleichen Drehzahl-Drehmoment-Verhaltens zum Antrieb von z. B. Pressen und Stanzen verwendet.
 +
 +Fremderregte Maschine: Hier werden Anker- und Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist. Eine permanenterregte Maschine ist hier einzuordnen. Elektrisch erregte Maschinen können gut im Feldschwächebetrieb betrieben werden.
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 +Drehmomentschwankungen ergeben geringe Drehzahländerungen..
 +
 +===== Glockenanker-Maschinen =====
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 +Vorderansicht eines Rotors einer Glockenanker-Maschine der Firma maxon motor ag 
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 +{{http://​upload.wikimedia.org/​wikipedia/​commons/​thumb/​8/​8b/​Rotor_eisenlos_vorne.jpeg/​180px-Rotor_eisenlos_vorne.jpeg}}
 +
 +Schema eines Glockenanker-Motors,​ oben: Längs- und Querschnitt,​ unten: Anordnung der Spulenstränge auf der Zylinderfläche;​ B = Magnetfluss,​ current = Stromfluss
 +
 +{{http://​upload.wikimedia.org/​wikipedia/​commons/​thumb/​3/​30/​Ironless_electric_motor.svg/​180px-Ironless_electric_motor.svg.png}}
 +
 +Kleine Maschinen bis etwa 100 Watt mit [[Permanentmagnet]] können auch mit einem hohlen Rotor gebaut werden. Der Rotor ist eisenlos selbsttragend gewickelt und kunstharzgetränkt. So wird das Trägheitsmoment des Rotors verringert und der Motor kann schneller beschleunigen.
 +Der Stator, ein Permanentmagnet,​ liegt in diesem Fall innerhalb des Rotors. Das außenliegende Motorgehäuse aus Eisen bildet den notwendigen Rückschluss für den magnetischen Fluss des Stators. Der elektrische Aufbau entspricht der ersten Illustration.
 +Durch den eisenlosen Aufbau des Rotors bildet der Motor kein Rastmoment aus, er lässt sich vollkommen frei drehen.
 +Da im Gegensatz zu allen anderen Motoren im Betrieb keine Eisenteile ummagnetisiert werden müssen, ist dieser Motor frei von Eisenverlusten und erreicht dadurch höhere Wirkungsgrade.
 +
 +Der [[Scheibenläufer]]motor ist ähnlich aufgebaut, allerdings ist die Wicklung nicht in Form eines Zylinders sondern als Scheibe ausgeführt.
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 +===== Bürstenlose Gleichstrom-Maschinen =====
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 +Nachteil der konventionellen Gleichstrommaschinen sind die Funken, welche bei den Bürsten entstehen („Bürstenfeuer“). Das Bürstenfeuer ist die Hauptursache für hochfrequente Störungen, die der Motor im Betrieb in das Leitungsnetz zurückspeist und die andere elektrische Verbraucher stören. Dies begrenzt auch die maximale Drehgeschwindigkeit,​ da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und besonders schnell verschleißen. Weiterhin bewirken hohe Drehzahlen auch höhere Induktionsspannungen die bis hin zum umlaufenden Bürstenfeuer führen können.
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 +Dies umgeht die bürstenlose Gleichstrommaschine,​ engl. brushless direct current, BLDC. Der Rotor besteht hier aus einem Permanentmagneten,​ der Stator besteht aus mehreren Magnetspulen. Meist werden diese dreiphasig ausgeführt.
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 +Es gibt drei Arten:
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 +    * Beim Schrittmotor wird ein konstanter Haltestrom eingeprägt,​ die Phasen blind geschaltet. Dies wird angewendet, wenn die Last bekannt und konstant ist oder nur kleine Leistungen bzw. Verluste auftreten. Es ist zu beachten, dass ein hartes Umschalten der Phasen im Zusammenhang mit dem Haltemoment und der Trägheit des Rotors zu einer Resonanz führt, die wegen der fehlenden Rückkopplung nur durch das Weicheisen, bzw. bei der Drehstrom-Synchronmaschine durch den Dämpferkäfig gedämpft ist.
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 +    * Wie bei der bürstenbehafteten Gleichstrommaschine können die Phasen in Abhängigkeit von der Lage des Rotors geschaltet werden, die daher ständig gemessen wird z. B. mittels Hall-Effekt-Sensoren bei hochwertige Industriemotoren (z.B. Servomotoren).
 +
 +    * Für z.B. den Antrieb eines Propellers reichen bei niedrigen Drehzahlen kleine Leistungen aus und es wird ein Schrittmotor verwendet. Sobald die Drehzahl steigt also Resonanz auftreten kann und das benötigte Drehmoment am Propeller größer wird, induziert der Motor praktischerweise auch eine messbare Spannung über die sich die Lage des Rotors ermitteln lässt. Diese Variante heißt im Englischen '​sensorless'​.
 +
 +Die drei Spulenstränge des Stators werden über eine Brückenschaltung (mit Bipolartransistoren,​ MOSFET oder IGBT, bei kleinen Leistungen in einem Leistungs-IC integriert) kommutiert. Man spricht daher auch von EC-Motoren, (elektronisch kommutiert, engl. electronical commutation). Die Elektronik stellt einen Drehstromregler dar, wie er ähnlich auch in Frequenzumrichtern verwendet wird. Genaugenommen handelt es sich bei diesen Motoren auf Ebene der Motorklemmen daher um Synchronmaschinen,​ die jedoch mittels der Umrichterelektronik mit Gleichspannung gespeist werden können.
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 +Diese Maschinen sind wegen ihrer zusätzlichen Elektronik vergleichsweise teuer. Sie bieten jedoch eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen,​ bürstenbehafteten E-Motoren und verdrängen diese deshalb aus immer mehr Einsatzgebieten. Häufig findet man sie z.B. als Außenläufer im Computerbereich. Dort treiben sie Lüfter und werden in den verschiedenen Laufwerkstypen eingesetzt.
 +Auch die Kopftrommel in Videorekordern verwendet dieses Antriebskonzept.
 +Im Modellfahrzeugbereich sind sie bereits Standard.
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 +===== Ankerrückwirkung =====
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 +Da der Anker stromdurchflossen ist, bildet sich auch um diesen ein magnetisches Feld. Dieses verstärkt das Hauptfeld auf der einen Seite des Leiters und schwächt es auf der anderen. Insgesamt führt dies dazu, dass sich der neutrale Bereich, in dem die Polung des Stromes umgeschaltet werden muss, etwas verspätet, d.h. in Drehrichtung verschiebt. Da sich jedoch der Kommutator nicht anpasst (also stets senkrecht zu den Hauptfeldlinien umschaltet und nicht senkrecht zu den "​effektiven"​ Feldlinien),​ liegt zu dem Zeitpunkt des Umschaltens noch eine Induktionsspannung an den Kohlebürsten an und es kommt zur Funkenbildung,​ dem Bürstenfeuer. In Anlagen, die ein gleichmäßiges Drehmoment verlangen und nur in einer Laufrichtung betrieben werden (z.B. starke Lüfter) kann das Bürstenfeuer verringert werden, indem der Bürstenträger leicht verdreht montiert wird, und dann im Betriebszustand doch senkrecht zu den effektiven Feldlinien umschaltet. Dies erfordert jedoch eine Justage im Betrieb und wird heute aus Kostengründen kaum noch durchgeführt. Stattdessen werden in großen Maschinen Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen eingesetzt, die die Feldlinien gleichsam in die ideale Lage "​zurückbiegen"​.
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 +===== Gegenspannung =====
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 +Der Rotor dreht sich im Motor innerhalb des Statorfeldes. Nach dem Generatorprinzip wird so in der Spule eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung wirkt der angelegten Netzbetriebsspannung und somit auch dem Rotorstrom entgegen, daher der Name Gegenspannung.
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 +Rotorstrom =(Betriebsspannung-Gegenspannung)/​Rotorwiderstand
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 +Die Gegenspannung ist abhängig von der Drehzahl des Rotors. Bei Motorstillstand gibt es also keine Gegenspannung. Deshalb liegt an der Rotorspule die volle Betriebsspannung. Der Widerstand der Rotorspulen ist sehr klein und somit der Strom im Moment des Einschaltens sehr groß, ohne Begrenzung des Anlaufstromes würde also die Rotorspule zerstört oder das Netz überlastet werden.
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 +Drehzahl = Null; Gegenspannung = Null; Betriebsspannung = Spannung an der Rotorspule; Strom der Rotorspule sehr hoch.
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 +Der Anlaufwiderstand wird in Reihe zur Rotorspule geschaltet. Nach dem Hochlaufen wird dann der Anlaufwiderstand bis auf Null reduziert.
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 +Zu den Differentialgleichungen von Gleichstrommaschinen im Originalartikel:​ http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Gleichstrommotor
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 +===== Literatur =====
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 +    * Hans Otto Seinsch: Grundlagen elektrische Maschinen und Antriebe, B. G. Teubner Stuttgart 1999, ISBN 3-519-06164-3
 +    * Albach, Manfred: „Grundstudium der Elektrotechnik“,​ Bände 1–2, Pearson Studium 2005
 +
 +====== Siehe auch: ======
 +
 +    * **[[Elektromotor]]**
 +    * **Drehstrom-[[Asynchronmaschine]]**
 +    * **Elektrischer [[Generator]]**
 +
 +====== Links ======
 +
 +    * [[http://​www.walter-fendt.de/​ph14d/​elektromotor.htm walter-fendt.de|Animiertes Modell zum Prinzip des Elektromotors]]
 +    * [[http://​www.walter-fendt.de/​ph14d/​generator.htm|walter-fendt.de Animiertes Modell zum Prinzip des Generators]]
 +    * [[http://​www.zum.de/​dwu/​depotan/​apem105.htm|Flash-Animation zum Gleichstrom-Motor (dwu-Unterrichtsmaterialien)]]
 +    * [[http://​www.associatedrewinds.com/​deutsch/​deconstructingmotor.html|associatedrewinds.com Bauen Sie ab einen Zugkraftmotor]]
gleichstrommotor.txt · Zuletzt geändert: 2010/04/29 18:32 (Externe Bearbeitung)