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Ein Motor ist ein elektromagnetisches Gerät, das die Umwandlung oder Übertragung elektrischer Energie nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion realisiert. Elektromotoren können als Elektromotoren und Generatoren klassifiziert werden. Ein Elektromotor wird im Schaltkreis durch den Buchstaben M dargestellt. Seine Hauptfunktion besteht darin, Antriebsdrehmoment zu erzeugen, als Stromquelle für Elektrogeräte oder verschiedene Maschinen. Im Schaltkreis steht der Buchstabe G für einen Generator. Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um.
Komponenten von Motoren
Die beiden mechanischen Teile eines Elektromotors heißen Rotor und Stator. Die beiden elektrischen Teile heißen Magnet und Anker, einer ist am Rotor und einer am Stator befestigt. Diese Magnete, ob Permanentmagnete oder Elektromagnete, erzeugen durch den Anker ein Magnetfeld. Die Magnetfeldmagnete können am Stator sitzen, während der Anker am Rotor sitzt, es kann aber auch umgekehrt sein.
Lager
Er ist auf Lagern montiert. Lager übertragen axiale und radiale Lastkräfte über die Welle auf das Motorgehäuse, sodass sich der Rotor auf der Welle dreht.
Rotor
Der Rotor ist das bewegliche Teil, das mechanische Leistung liefert. Der Rotor ist normalerweise mit Leitern ausgestattet, die elektrischen Strom leiten. Das Magnetfeld des Stators übt eine Kraft auf den Leiter aus, wodurch die Welle rotiert. Einige Rotoren sind mit Permanentmagneten ausgestattet. Permanentmagnete haben über einen weiten Bereich von Betriebsgeschwindigkeiten und Leistungen einen hohen Wirkungsgrad.
Luftspalt
Der Luftspalt zwischen Stator und Rotor ermöglicht dessen Drehung. Die Breite des Luftspalts hat einen wesentlichen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Motors. Generell gilt: Je schmaler der Luftspalt, desto besser ist die Leistung des Motors. Denn ein zu großer Luftspalt verringert die Leistung. Andererseits erzeugt ein zu kleiner Luftspalt neben Lärm auch Reibung.
Die Welle des Motors befindet sich außerhalb des Motors, um den Lastanforderungen gerecht zu werden. Da die Lastkraft zudem über das am weitesten entfernte Lager hinausgeht, wird sie als schwebende Last bezeichnet.
Stator
Die
Der Stator ist um den Rotor herum angeordnet und enthält normalerweise die Feldmagnete, die Permanentmagnete oder Elektromagnete (Verdrahtung um einen ferromagnetischen Kern) sein können. Diese Magnete erzeugen ein Magnetfeld, das den Anker des Rotors durchdringt und eine Kraft auf die Rotorwicklungen ausübt. Der Statorkern enthält viele dünne, isolierte Metallbleche, sogenannte Laminierungen, aus Elektrostahl mit Eigenschaften wie Permeabilität, Hysterese und Sättigung. Bei einem massiven Kern würden Wirbelströme entstehen, aber dieser Effekt wird durch das Stapeln der Bleche minimiert. Bei Wechselstrommotoren, die über das Stromnetz versorgt werden, werden die Leiter der Wicklungen im Vakuum mit Lack imprägniert, wodurch Drahtvibrationen vermieden werden, die sonst die Isolierung kurzschließen und die Lebensdauer des Motors verkürzen würden. Bei harzgekapselten Motoren, die in Anwendungen wie Tiefbrunnen-Tauchpumpen, Waschmaschinen und Klimaanlagen verwendet werden, sind die Wicklungen des Stators in Kunststoffharz eingehüllt, um Korrosion zu verhindern und leitungsgebundene Geräusche zu reduzieren.
Anker
Ein Anker ist ein Draht, der um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist. Wenn Strom durch die Drähte fließt, übt ein Magnetfeld eine Kraft (Lorentzkraft) auf sie aus, die den Rotor rotieren lässt. Die Wicklungen sind Spulen, die um einen laminierten ferromagnetischen Weicheisenkern gewickelt sind, der von Magnetpolen mit Strom versorgt wird.
Motoren gibt es in zwei Bauformen: mit und ohne Magnetpole. Bei Salzpolmotoren enthalten die ferromagnetischen Kerne von Rotor und Stator einander zugewandte Vorsprünge, sogenannte Pole. Unterhalb der Polfläche enthält jeder Pol eine Drahtwicklung. Der Stromfluss in diesen Drähten macht diese Pole zu Nord- und Südpolen. Bei einem Motor mit nicht schrägen Polen, auch als Motor mit verteiltem Feld oder Kreisläufer bekannt, ist der ferromagnetische Kern ein glatter Zylinder. Seine Wicklungen sind gleichmäßig in Schlitzen um den Umfang verteilt. Der Wechselstrom in den Wicklungen erzeugt einen kontinuierlich rotierenden Magnetpol im Kern. Spaltpolmotoren haben eine Wicklung um einige der Pole, die die Phase des Magnetfelds an diesem Pol verzögert.
Kommutator
Ein Kommutator ist ein elektrischer Drehschalter, der den Rotor mit Strom versorgt. Der Kommutator kehrt den Strom in den Rotorwicklungen periodisch um, wenn sich die Welle dreht. Der Kommutator hat die Form eines Zylinders, auf dem mehrere metallische Kontaktsegmente positioniert und auf einem Anker angeordnet sind. Zwei oder mehr elektrische Kontakte, sogenannte „Bürsten“, bestehen aus weichem, leitfähigem Material wie Kohlenstoff und werden auf die Kommutatoroberfläche gepresst. Während der Drehung erzeugt dies einen Gleitkontakt mit aufeinanderfolgenden Kommutatorsegmenten durch die Bürsten zur Stromversorgung des Rotors, wobei die Wicklungen mit den Kommutatorlamellen verbunden sind. Jede halbe Drehung (180°) des Kommutators kehrt die Stromrichtung in den Rotorwicklungen um. Somit bleibt die Richtung des auf den Rotor ausgeübten Drehmoments immer dieselbe. Ohne diese Umkehrung wird die Richtung des Drehmoments auf die Rotorwicklung jede halbe Drehung umgekehrt, wodurch der Rotor gestoppt wird. Kommutierte Motoren wurden größtenteils durch bürstenlose Motoren, Permanentmagnetmotoren und Induktionsmotoren ersetzt.
Motorversorgung und -steuerung
Motorversorgung
Wie oben erwähnt, werden Gleichstrommotoren normalerweise über einen Ringkommutator mit Öffnungs-/Schließfunktion versorgt. Ein Wechselstrommotor kann mit einem Schleifringkommutator oder einem externen Kommutator kommutiert werden. Er kann eine feste oder variable Drehzahlregelung haben und synchron oder asynchron sein. Allzweckmotoren können mit Wechsel- oder Gleichstrom betrieben werden.
Motorsteuerung
Gleichstrommotoren arbeiten über einen Drehzahlbereich, indem die an den Anschlüssen angelegte Spannung angepasst wird oder indem eine Pulsweitenmodulation (PWM) durchgeführt wird.
Wechselstrommotoren, die mit einer festen Drehzahl laufen, werden normalerweise direkt vom Netz oder über einen Sanftanlauf des Motors angetrieben; Wechselstrommotoren, die mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen, werden durch eine Vielzahl von Wechselrichtern, Frequenzumrichtern oder elektronischen Kommutatortechnologien angetrieben.
Der Begriff elektronisch kommutiert wird üblicherweise mit selbstkommutierten bürstenlosen Gleichstrommotoren und Anwendungen mit geschalteten Reluktanzmotoren in Verbindung gebracht.
Prinzipien
Elektromotoren sind für ihren Betrieb auf Magnetfelder angewiesen. Magnetfelder können durch Magnete oder durch Wicklungen um einen Magnetkern erzeugt werden. Die Theorie beginnt mit einer Erklärung der magnetischen Kraft auf einen stromführenden Draht, der einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Ein Magnet erzeugt ein Magnetfeld zwischen dem Nord- und Südpol. Die Magnetfeldlinien treten aus dem Nordpol aus und treten in den Südpol ein. Dieses Magnetfeld ist konstant, es gibt keine Schwankungen im Magnetfeld und es sieht aus wie ein Gleichstrommagnetfeld.
Wenn ein stromführender Draht in ein Magnetfeld eintritt, wird der Draht einer magnetischen Kraft ausgesetzt und bewegt sich daher. Die Stärke der magnetischen Kraft hängt von mehreren Parametern ab, die in diesem Artikel erörtert werden. Erstens hängt die magnetische Kraft vom Strom durch den Draht ab. Das heißt, wenn der Strom durch den Draht Null ist, wird keine Kraft auf den Draht ausgeübt, während die Kraft direkt mit dem Strom zusammenhängt. Daher kann die folgende Gleichung geschrieben werden:
(1). F ∝ I
Dabei ist F die magnetische Kraft und I der Strom im Draht. Der andere Parameter ist die Länge des Drahtes, der dem Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Beziehung zwischen der magnetischen Kraft und der Länge des freiliegenden Drahtes ist ebenfalls einfach und kann wie folgt ausgedrückt werden:
(2). F ∝ l
Wobei l die Länge des Drahtes ist. Der letzte Parameter ist die magnetische Feldstärke, die in direktem Zusammenhang mit der Magnetkraft steht:
(3). F ∝ B
Diese drei Parameter bestimmen den Maximalwert der magnetischen Kraft, wenn das Feld senkrecht zum Draht steht. Jede Abweichung von der senkrechten Position verringert daher die Kraft auf den Draht. Dies liegt daran, dass die magnetische Kraft bei einer Abweichung von einer dieser Positionen nicht ihren Maximalwert erreicht. Der Grund dafür ist, dass zwischen dem Magnetfeld und dem Strom im Leiter ein Winkel auftritt.
Unter Berücksichtigung aller Parameter kann die magnetische Kraft mit den folgenden Gleichungen berechnet werden:
(4). F=B·I·l·sinθ
Anstatt einen Leiter zwischen den Polen zu haben, wird nun eine Schleife betrachtet. Die Schleife kann jede beliebige Form haben. Zur Vereinfachung der Visualisierung nehmen wir jedoch an, dass sie rechteckig ist. Dann wird jede ihrer Seiten den Strom leiten und einer magnetischen Kraft ausgesetzt sein. Die Richtung dieser Kraft kann mithilfe der Linke-Hand-Regel ermittelt werden.
Bei dieser Regel ist der Daumen parallel zur magnetischen Kraft, der Zeigefinger zeigt die Richtung des Magnetfelds und der mittlere Finger zeigt die Richtung des Stroms an. Alle diese Finger stehen im rechten Winkel zueinander. Die magnetische Kraft ist null, wenn der fließende Strom in Gleichung 4 parallel zum Magnetfeld ist. Daher ist die magnetische Kraft auf BC und AD null.
Hier werden nur AB und CD magnetisiert. Wendet man die Linke-Hand-Regel auf die Pfade AB und CD an, ist die Richtung der magnetischen Kraft für den Pfad AB nach oben und für den Pfad CD nach unten. Diese beiden entgegengesetzten Kräfte bewirken, dass sich die Schleife dreht. Die Drehung kann jedoch nicht erreicht werden, da die Stromrichtung in der Schleife gleich bleibt. Mit anderen Worten: Wenn die Schleife senkrecht zum Magnetfeld steht, ist dies die stabilste Position der Schleife. Dort heben sich die nach oben und unten ziehenden Kräfte gegenseitig auf, daher gibt es keine Bewegung der Drahtschleife. Bei diesem Problem muss bei jeder halben Drehung die Stromrichtung in der Schleife umgekehrt werden, damit sich die Drahtschleife dreht. Zusätzlich hilft die Trägheit der Drahtschleife, sich weiter zu drehen und die stabile Position zu durchlaufen.
