Die Animation stellt die Funktionsweise und das Betriebsverhalten von Elektromotoren dar. Es werden Reihen- und Nebenschlussmotoren gegenübergestellt.
Hinweis zur Benutzung
Die Fenster können wie bei allen Animationen durch einen Klick vergrößert oder verkleinert werden.
Nach dem Start der Anwendung können Sie die Animation im Vollbild-Modus anschauen. Klicken Sie dazu auf „Ansicht“ und anschließend auf „Vollbild“:
Um den Vollbild-Modus zu beenden, drücken Sie die Esc-Taste.
Beschreibung
Elektromotoren wandeln elektrische in mechanische Energie um. Sie bestehen aus einem Stator (feststehender Teil) und einem Rotor (beweglicher Teil). Sowohl im Stator als auch im Rotor bilden sich dynamische Magnetfelder. Durch die Wechselwirkung beider Magnetfelder setzt sich der Rotor in Bewegung.
In der Realität sind meist zwei Parameter eines Elektromotors direkt veränderbar: die Drehzahl und das Drehmoment. Drehzahl und Drehmoment beeinflussen sich gegenseitig. Wird eine Bohrmaschine gegen ein Werkstück gedrückt, steigt das Drehmoment und die Drehzahl sinkt.
Der Zusammenhang von Drehzahl und Drehmoment variiert je nach Bauart des Motors. Einen großen Einfluss hat der Motortyp (Reihenschluss oder Nebenschluss).
Reihenschlussmotor: Hierbei sind der Anker und die Erregerwicklung in Reihe geschaltet. Diese Motoren bieten ein hohes Anlaufdrehmoment und werden häufig in Anwendungen mit variabler Last eingesetzt, wie beispielsweise in elektrischen Zügen.
Nebenschlussmotor: Der Anker und die Erregerwicklung sind parallel geschaltet. Diese Motoren bieten eine konstante Drehzahl und werden oft in Anwendungen mit konstanter Last verwendet, wie zum Beispiel in Ventilatoren oder Pumpen.
Grundsätzlich gilt, dass das Drehmoment eines Motors proportional zum Ankerstrom ist. Die folgende Formel gilt für sämtliche Elektromotoren:
\[ M = c \cdot \phi \cdot I_A \]
Der Parameter c ist eine für den jeweiligen Motor spezifische Konstante. An der Konstante lässt sich die Leistungsfähigkeit des Motors ablesen. Es handelt sich um eine wichtige Herstellerangabe. Der Fluss Φ ist eine physikalische Größe, die das magnetische Feld im Motor beschreibt.
Der Innenwiderstand eines Motors beeinflusst den Stromverbrauch und damit das Drehmoment. Ein niedrigerer Innenwiderstand führt zu einer höheren Stromaufnahme und folglich zu einem höheren Drehmoment.
Der Innenwiderstand hängt nicht nur vom Leitermaterial ab (ohmsche Komponente), sondern kann sich auch während des Betriebs verändern (induktive Komponente). Die Ursache ist die Gegeninduktion: Bewegt sich ein Leiter in einem Magnetfeld, wird eine Gegenspannung erzeugt. Bei geringer Drehzahl ist dieser Effekt gering.
Die folgende Formel erweitert das ohmsche Gesetz um den Innenwiderstand der Spannungsquelle:
\[ I_A = \frac{U – U_i}{R_A} \]
Ein Reihenschlussmotor ist ein Elektromotor, bei dem der Anker und die Erregerwicklung in Reihe geschaltet sind. Mit zunehmender Drehzahl steigt die Gegen-EMK (Gegenspannung), wodurch der Strom und damit das Drehmoment sinken.
Im Gegensatz dazu sind bei einem Nebenschlussmotor der Anker und die Erregerwicklung parallel geschaltet. In einer Parallelschaltung wirkt sich die Erhöhung eines Widerstands in der Regel weniger stark auf den Gesamtwiderstand der Schaltung aus. Somit nimmt ein Nebenschlussmotor auch unter starker Belastung noch genug Strom auf.
Aus den unterschiedlichen Kennlinien ergeben sich verschiedene Einsatzbereiche. Bei einem Zug ist eine langsame Anfahrt (hohes Drehmoment und geringe Drehzahl) durchaus wünschenswert. Bei einer Pumpe kann es wichtig sein, dass auch unter Belastung eine konstante Drehzahl vorliegt.
Neutrale Zone
In der Animation wird auch das dynamische Magnetfeld dargestellt, das sich aus der Vereinigung des Stator- und des Rotormagnetfelds ergibt.
Wenn sich das Drehmoment des Motors erhöht (z.B. durch Belastung), hat dies zur Folge, dass die Stromstärke im Rotor ansteigt. Dadurch verstärkt sich auch das Magnetfeld des Rotors. Das resultierende Magnetfeld wird stärker verzerrt.
Die neutrale Zone in einem Elektromotor, auch als neutrale Linie oder Nullpunkt bezeichnet, ist der Bereich im Magnetfeld des Motors, in dem die Kommutatoren keine Spannung induzieren. Dieser Bereich ist entscheidend für den reibungslosen Betrieb des Motors.
Wenn die Bürsten des Kommutators in der neutralen Zone auf die Lamellen treffen, ist die induzierte Spannung minimal. Dies reduziert die Funkenbildung, die zu Abnutzung der Bürsten und des Kommutators führen kann.
Die richtige Positionierung der Bürsten in der neutralen Zone sorgt dafür, dass der Stromfluss durch die Wicklungen optimal ist. Dies maximiert die Effizienz des Motors.
In der Animation wird die Position der neutralen Zone durch eine gestrichelte Linie markiert.
Verwandte Animationen
HD-Animationen
Überblick und Download
| Titel | Reihen- und Nebenschlussmotoren |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Plattformen | Microsoft® Windows® Apple® Macintosh® (versionsabhängig) |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | Freeware |
| Download | Kontakt |
Mitwirkende
C. Hein, S. Rikowski
Quellangaben
- Bezierkurven Magnetfeld: Erstellt mit ActionScript-3-Klasse CubicBezier von Andy Woodruff. (http://www.cartogrammar.com/blog)
- Formeln: Erzeugt mit http://www.codecogs.com/latex/eqneditor.php
- Autorenwerkzeug (Steuerungselemente mitgeliefert): Adobe Animate
Teilen
Teilen Sie die Animation mit Ihren Kolleg(en/innen).