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 habe ich ja bereits vorgestellt (Asynchron- und Synchronmotor (Linearmotor)).
    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, Aussetzbetrieb (S3- Belastung...Pause,S4-Anlauf...Belastung...Pause,S5- Anlauf...Belastung...Bremsung...Pause), ununterbrochener periodischer Betrieb(S6-Belastung...Leerlauf, S7-Anlauf...Belastung...Bremsung, S8- Belastung 1...Belastung 2), ununterbrochener nichtperiodischer Betrieb(S9- Belastung und Drehzahl)