Gleichstrmmotor

Ausarbeitung zur Jahrespräsentation im Fach Physik Thema: Gleichstrommotor Referentin: Verena Schulz Gleichstrommotor 1. Einleitung (Allgemeines) S. 2 2. Aufbau und Bestandteile S. 3 3. Funktion S.

     5 4. Vergleich Verbrennungsmotor - Gleichstrommotor S. 7 5. Anhang (Literatur- und Quellenverzeichnis) S. 9 1. Einleitung Ich werde in dieser Ausarbeitung zu meiner Präsentation den Gleichstrommotor zuerst darstellen und erläutern.

     Dann werde ich seine Funktionen erklären. Zuletzt werde ich Eigenschaften des Gleichstrommotors mit einem Verbrennungsmotor vergleichen und dabei besonders auf die Elastizität der Leistung und auf den Wirkungsgrad eingehen. Dabei habe ich mir die Frage gestellt, wo die Motoren eingesetzt werden und welche Vor- und Nachteile dies bringt. Ich habe dieses Thema gewählt, weil ich es interessant finde mich mit einem alternativen Motor zum Verbrennungsmotor zu beschäftigen und diese auch miteinander zu vergleichen. Gerade in Zeiten, in denen die Reserven von Öl immer knapper werden, finde ich es gut sich auch mit anderen Motoren, als mit dem Verbrennungsmotor zu beschäftigen. Der Elektromotor ist ein Beispiel für ein elektromechanisches System.

     Ich finde es interessant, dass dessen Bewegungsgleichungen sowohl von mechanischen als auch von elektrischen Größen abhängen. Unter Gleichstrommotor versteht man einen Elektromotor der mit Gleichstrom betrieben wird. Er besteht aus einem äußeren Teil, dem Stator, welcher unbeweglich ist, und einem inneren Teil, dem Rotor, der drehbar gelagert ist. Der Gleichstrommotor bietet den Vorteil einer guten Regelbarkeit und hat ein gutes Anlaufverhalten. 2. Aufbau und Bestandteile Der Gleichstrommotor besteht aus zwei grundlegenden Bauteilen, aus einem Hauptmagneten und aus dem Rotor.

     Dies sind zwei Magnete, die miteinander in Wechselwirkung treten und so die Bewegung verursachen. Erstens der Hauptmagnet, der am Ständer, auch Stator genannt, befestigt ist. An dem Hauptmagneten befinden sich die Spulen, auch Erregerwicklungen genannt. Zweitens aus dem als Leiterschleife bereits erwähnten Anker, auch Rotor genant, an dessen geblecht ausgeführtem Ankerkern die Ankerwicklungen aufgebracht sind. In diesem Bild (Doppel-T-Anker) können wir erkennen, dass es sich bei den Erregerwicklungen nicht immer um Spulen handelt, sonder auch dauermagneterregte Motoren möglich sind. Der Ständer oder auch der Dauermagnet stellen den äußeren Teil des Motors da.

     Er dient zum einen als Halterung für die Wicklungen und zum anderen "gewährt er den äußeren magnetischen Rückschluss der Hauptpole, in deren innerem Feld (Luftspalt) sich der drehbar gelagerte Anker befindet." Den magnetischen Rückschluss kann man wie folgt erklären. Dafür muss man sich die Feldlinien des Hauptmagneten, die am Nordpol des Magneten beginnen, als einen durchgehenden Feldlinienkreis vorstellen. Beginnend am Nordpol gehen die Feldlinien durch den Anker zum Südpol. Dort teilen sie sich auf und gelangen über den Ständer zum Nordpol zurück. Dort beginnt das Ganze von neuem.

     "Unter magnetischem Rückschluss versteht man also das \"Rückleiten\" der Feldlinien an ihren \"Ausgangspol\"". Außerdem soll der Ständer den Motor vor mechanischen Einwirkungen von außen schützen und die Standfestigkeit des Motors sicherstellen. "Der Anker besteht aus einer Welle aus Stahl, die ein Blechpaket aus einzelnen zusammengepressten Dynamoblechen trägt." Diese Bleche sind auf je einer Seite isoliert. Man erhält ein sterförmiges Gebilde, indem man von einer gestanzten kreisförmigen Blechscheibe in einem bestimmten Abstand Kreissegmente abschneidet. Drückt man mehrere dieser sternförmigen Scheiben aneinander, erhält man einen Zylinder.

     Dieser Zylinder weist mehrere längsseitige Einkerbungen auf, die sich gegenüber liegen. "Sie werden Nuten genannt und dienen der Aufnahme der Ankerwicklungen." Diese Nuten werden nach dem Einfügen der Ankerwicklungen mit einem Keil verschlossen. Man erhält den Anker, indem man nun das "gesamte Blechpaket" mit den Wicklungen auf eine Welle aufbringt und fest auseinander presst. Eine oder mehrere Spulen auf dem Rotor werden in einem magnetischen Feld so platziert, dass ein Drehimpuls ausgelöst wird. Im Magnetfeld benötigt man einen stromdurchflossenen Leiter, um den Drehmoment zu erzeugen.

     Dies kann durch einen Dauermagneten oder einen Elektromagneten geschehen. Die Wicklung des Rotors wird über den Stromwender angeschlossen, dieser ist zur Stromwendung in elektrischen Maschinen da und wird auch als Kommutator bezeichnet. Ein Doppel-T-Anker besteht aus einer Spule, die um einen Eisenkern gewickelt ist. "Im Schwerpunkt des Eisenkerns befindet sich eine Bohrung, durch die die Welle durchgeschoben wird." Der Namen Doppel-T-Anker kommt von der Form seines Eisenkerns, der zur Hälfe an ein aufrechtes \"T\" erinnert und zur Mittelachse symmetrisch ist. Da diese Motoren nicht in jeder Position von allen anlaufen können, müssen meist angeworfen werden.

     Dies ist z.B. bei der waagerechten Lage des Rotors der Fall. Der Stromwender, auch Kommutator genannt, wird heute meist aus Pressstoff hergestellt. In die Pressstoffmasse sind keilförmige Kupferteile, man nennt sie auch eingelassen. Diese nennt man auch Stege oder Lamellen.

     Sie sind durch eine Isolierschicht voneinander getrennt. "Die Stromwenderlamellen sind mit der Ankerwicklung durch Löten oder Punkt-Schweißen verbunden. Der Anfang einer Wicklung ist dabei an eine bestimmte Lamelle gelötet, während das Ende der Wicklung genau an einem dieser Lamelle gegenüberliegenden Segment angebracht ist." Am Ständer des Gleichstrommotors sind Halter angebracht. So können Bürsten aus Kohle oder Graphit am Umfang des Stromwenders gleiten. "Die Bürstenhalter sitzen meist auf Bürstenbolzen und sind an einer drehbaren Bürstenbrücke befestigt.

    " Wenn man nun über Bürsten und Kollektor ein elektrischer Gleichstrom in die Ankerspulen leitet, dann üben Ankermagnetfeld und Ständermagnetfeld eine Wechselwirkung aufeinander aus. Am Anker greift also eine mechanische Kraft an. Für die Drehbewegung des Ankers ist allerdings das Drehmoment entscheidend, das am Umfang des Ankers angreift, und nicht die wirkende Kraft. Damit sich nun der Motor bzw. der Anker weiter drehen kann, muss die Stromrichtung dann umgekehrt werden, wenn der Anker des Kommutators durch den "Totpunkt" läuft. Somit drehen sich auch die auf die Schleife wirkende Kraft sowie das Drehmoment um.

     3. Funktion Wie funktioniert ein Gleichstrommotor? Es wird ein äußeres Magnetfeld erzeugt. Dies geschieht durch den Strom der Erregerwicklung. Dieses äußere Magnetfeld durchläuft die Ankerwicklung annährend senkrecht. Auf die Ankerwicklung wirkt somit eine Kraft und damit ein Drehmoment auf den Läufer, das diesen in Bewegung bringt. Nach einer 90° - Drehung heben sich die beiden Kräfte auf.

     Die Drehbewegung würde nun enden. Um dies zu vermeiden, wird der Stromfluss in der Ankerwicklung umgekehrt. Dadurch kehren sich die beiden Kraftrichtungen um und die Drehbewegung kann fortgesetzt werden. Der ständige Stromwechsel wird in der Leitung zur Ankerschleife durch Kommutatoren, auch Stromwender genannt, bewirkt, das sind besonders ausgeformte Schleifringe. Im ersten dieser fünf Bilder sieht man, dass der Anker parallel zu den Feldlinien ausgerichtet ist. Die Ankerwicklung setzt sich hier aus zwei Spulenhälften zusammen, die als Kreise am oberen und unteren Ende des Ankers auch im zweiten Bild abgebildet sind.

     Nun legt man eine Gleichspannung an die beiden Enden des Ankers an. Die Ladungen fließen in den unteren Teil der Spule hinein, das ist der Kreis mit dem Punkt und fließen aus dem oberen Teil der Spule wieder heraus, das ist der Kreis mit dem Kreuz. Jede stromdurchflossene Spule bildet ein eigenes Magnetfeld aus. Es kommt deshalb zu einer Überlagerung des Erregerfeldes mit den Feldern der Spulen. Die Feldlinien des Erregerfeldes sind anhaltend gleich gerichtet, sie zeigen immer vom Nordpol zum Südpol. Die Felder der beiden Spulenhälften haben entgegengesetzte Richtungen, die durch die Kreise mit jeweils einem Pfeile dargestellt sind.

     Nun betrachten wir das dritte Bild. In der unteren Spulenhälfte erkennt man, dass auf der linken Seite dieses Feldes die Feldlinien vom Spulenfeld und vom Erregerfeld die gleiche Richtung haben. Dort sind die Feldlinien dichter zusammen. Die Feldlinien jedoch stoßen sich voneinander ab, sodass es zu einer Kraftwirkung in Richtung des geschmälerten Feldbereiches kommt. Dies wird in Bild 3 und 4 durch einen weißen Pfeil aufgezeigt. Betrachtet man nun wieder in Bild 3 den oberen Teil der Spule, so fällt auf, dass die Feldlinien der Spulenhälfte auf der rechten Seite in die gleiche Richtung zeigen wie die Feldlinien des Erregerfeldes.

     Die Feldlinien sind auch hier dichter beieinander und es kommt zu einer Ablenkung des Ankers in Richtung des schwächeren Feldbereiches. Auch dies ist durch einen weißen Pfeil dargestellt. Durch diese Kraftwirkung in die jeweils entgegengesetzte Richtung am unteren und am oberen Ende des Ankers entsteht ein Drehmoment. Dieses Drehmoment verursacht die Rotationsbewegung des Ankers. Das fünft und somit letzte dieser 5 Bilder stellt die Kraftwirkung auf einen Trommelanker, im Bild rechts als Foto zu sehen, dar. Man erkennt, dass der Anker nicht nur eine Ankerwicklung aufweist, sondern gleich mehrere.

     Daher muss sich auch die Kraftwirkung auf den Anker sowie das von ihm abgegebene Drehmoment vergrößern. Bei Elektromotoren wird das Drehmoment durch das Zusammenspiel von den Magnetfeldern von Ständer und Anker gebildet. Der durch die Ankerwicklungen fließende Strom erzeugt um jede einzelne Windung der Ankerspule ein Magnetfeld. All diese Magnetfelder zusammen erzeugen das Ankerfeld. Dieses bewirkt im Ständermagnetfeld eine Kraft F, sodass ein Drehmoment entsteht. Durch Messung der Kraft F am Umfang der Antriebsscheibe des Elektromotors kann man nun das abgegebene Drehmoment bestimmen.

     4. Vergleich der Eigenschaften von Elektromotor und einem Verbrennungsmotor Grundsätzlich unterscheiden sich Verbrennungsmotor und Elektromotor darin, dass ein Verbrennungsmotor die Energie mechanisch erzeugt und diese entweder in mechanische Leistung oder elektrische Energie umwandelt oder auch in beides. Ein Elektromotor hingegen setzt Elektrizität in mechanische Leistung um. Der Gleichstrommotor ist eine elektrische Maschine, die sehr einfach in der Drehzahl und im Drehmoment verstellbar ist. Deshalb wird er in allen Größenordnungen gebaut. "So gibt es Motoren mit unter einem Watt Leistung für die Feinwerktechnik oder Großmaschinen, die bei einer Spannung von 1500 V Leistungen von über 10.

    000 kW aufnehmen." Weit verbreitet sind dauermagneterregte Motoren. Sie haben bis zu ca. 100 W und werden in großer Stückzahl für die Kfz-Elektrik gefertigt. Sie werden dort unter anderem als Scheibenwischer-, Gebläse- und Stellmotoren eingesetzt. "In der Industrie kommen Gleichstrommotoren vor allem in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen und Walzstraßen vor.

     In Nahverkehrsbahnen werden sie als Fahrmotoren verwendet." Elektromobile selbst produzieren keinerlei Emissionen, doch bei der Stromerzeugung in Elektrizitätswerken können Emissionen entstehen. Der Elektromotor ist in der Regel sehr geräusch- und wartungsarm. Über einen weiten Drehzahlbereich haben Elektromotoren im Gegensatz zum Verbrennungsmotor ein gleichförmiges Drehmoment zur Verfügung. Daher kann man in den meist auf ein Getriebe verzichten. Die Elektromotoren besitzen einen hohen Wirkungsgrad.

     "Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Er wird verwendet, um die Effizienz von Energiewandlungen aber auch von Energieübertragungen zu beschreiben." Aus diesem Grund benötigen sie weniger Primärenergie als herkömmliche Antriebe. "Elektromotoren laufen selbstständig an. Einen Anlasser oder Leerlauf im Stand mit dem damit verbundenen Energiebedarf gibt es nicht." Leider ist die Reichweite nicht sehr groß.

     "Dafür verantwortlich sind Akkumulatoren mit einer im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen sehr geringen Energiedichte und hohen Masse." Die meisten Elektrofahrzeuge sind daher besser für den Einsatz auf Kurzstecken z.B. in der Stadt geeignet. Außerdem sind sie auch gut in der Stadt geeignet, da sie die Energie, die bei Bremsen "verloren" geht bzw. an die Erde abgegeben wird wieder aufnehmen (hoher Wirkungsgrad).

     "Die Elastizität bei einem Kraftfahrzeug beschreibt den Umstand, dass ein Antriebsaggregat bei seiner Nennleistung nicht sein höchstes Drehmoment liefert, sondern dies bei einer geringeren Drehzahl der Fall ist." So wird es ermöglicht, dass bei einer Belastungssteigerung, d.h. einer Erhöhung der Fahrwiderstände, das passiert z.B. durch eine Berganfahrt, man nicht herunterschalten, also in eine größere Untersetzung, muss, sondern man bei sinkender Geschwindigkeit (Zunahme des Drehmoments) keinen Gangwechsel durchführen muss.

     Als Beispiel kann man hier den Drehzahlbereich von Autos nennen. Wie jeder weiß, kann man mit manchen Autos in höheren Drehzahlbereichen fahren und bei manchen kommt man nur bis zu ca. 4000 Umdrehungen. Autos, die mit denen man nicht so gut in hohen Drehzahlbereichen fahren soll bzw. kann, haben eine schlechte "Elastizität der Leistung". Wenn man nun einen Elektromotor mit einem Verbrennungsmotor vergleicht, kann man feststellen, dass ein Verbrennungsmotor nur im oberen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment liefert, beim Elektromotor hingegen ist es umgekehrt.

     Er hat vom Stand an das maximale Drehmoment und lässt bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Die Leistung des Elektromotors ist im Drehzahlbereich bis ca. 4000 im Verhältnis zum Ottomotor besser. Bei über 4000 Umdrehungen ist die Leistung des Ottomotors im Verhältnis besser. Es gibt auch die Möglichkeit z.B.

     bei einem Auto einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor zu kombinieren und so die positiven Eigenschaften beider Motoren gezielt einzusetzen. Diese Fahrzeuge nennt man Hybridautos.