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Elektromotoren

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Wolfgang Tews
Elektromotoren
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung Elektromotoren

In diesem Video lernst du den Bau und die Funktion von Gleich- und Wechselstrommotoren kennen. Dabei spielt der Kommutator eine wichtige Rolle. Du erfährst, dass es Elektromotoren gibt, die nur durch Anwerfen starten und solche, die auch ohne Anwerfen starten. Außerdem wird dir das Funktionsprinzip eines Schrittmotors erklärt.

Transkript Elektromotoren

Hallo. Wir wollen uns heute mit Elektromotoren beschäftigen. Du solltest dazu etwas über Bau und Funktion von Generatoren wissen. Wir lernen heute, wie “Gleich”- und “Wechselstrommotoren” funktionieren, welche Bedeutung der Kommutator hat, welcher Unterschied zwischen Motoren besteht, die mit und ohne Anwerfen starten, und wie ein Schrittmotor funktioniert. Wir wiederholen hier Aufbau und Funktionsweise eines “Drehspulinstrumentes”. Die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes kann in einem “Drehspulinstrument” zur Bestimmung der Stromstärke genutzt werden. Durch eine “Drehspule” im Magnetfeld eines “Hufeisenmagneten” fließt ein Strom und erzeugt selbst ein Magnetfeld. Dadurch entstehen Abstoßungs- beziehungsweise Anziehungskräfte. Wird die “Drehspule” mit einem Zeiger verbunden und das Gerät geeicht, kann eine Stromstärke gemessen werden. Je größer die Stromstärke, desto größer der Zeigerausschlag. Mit dem Anlegen einer Spannung haben wir schon mal eine kleine Drehung erzeugt. Das klingt ja schon fast wie ein Elektromotor. Bloß, die Drehung ist ganz schnell zu Ende. Die “Drehspule” kommt über einen bestimmten Punkt, nennen wir ihn “Totpunkt”, nicht hinaus. Was ist zu tun? Im Motor hilft ein Trick weiter. Wenn es gelingt im richtigen Augenblick die Stromrichtung zu ändern, kann die Rotation fortgesetzt werden. Erinnern wir uns an einen Gleichstromgenerator. Dieser bestand aus einem Rotor, auch als “Anker” bezeichnet, einem Stator, also ein Magnet mit Nord- und Südpol und zwei getrennte Schleifkontakte, die zwei Halbringe, “Kommutator” oder “Polwender” genannt, kontaktieren. Der Kommutator vertauscht genau im richtigen Moment die Polung der Spannung. Bei einem Generator wurde durch Drehung des Ankers Elektrizität gewonnen. Führt man stattdessen über den Kommutator eine Spannung, also Elektrizität zu, arbeitet die Maschine als Elektromotor. Wir sehen uns die Wirkungsweise eines “Gleichstrommotors” etwas genauer an. Hier sieht man, dass der Nordpol des Ankers, Rotor, vom Südpol des Stators angezogen und vom Nordpol des Stators abgestoßen wird. Der Südpol des Ankers, Rotor, wird vom Nordpol des Stators angezogen und von dessen Südpol abgestoßen. Hier ziehen sich ungleichnamige Pole an. Durch die Trägheit des Ankers setzt sich seine Rotation fort. Der Kommutator ändert die Stromrichtung im Anker und auch die Lage seiner Pole. Bei der nun folgenden Drehbewegung stehen sich gleichnamige Pole gegenüber und damit erfolgt Abstoßung. Der Anker bewegt sich weiter und die Rotation setzt sich fort. Dieser Vorgang wiederholt sich. Und damit arbeitet der Elektromotor. Ein Nachteil muss noch erwähnt werden: In der horizontalen Lage des Ankers gibt es keine Kräfte, die den Anker weiterdrehen. Er befindet sich im schon oben erwähnten Totpunkt. Hier hilft nur Anwerfen des Ankers. Der oben gezeigte Anker wird auch als “Doppel-T-Anker” bezeichnet. Hier ist jetzt ein “Mehrfach-T-Anker” zu sehen. Bei einem solchen Anker heben sich die Kräfte auf die Magnetpole des Rotors nicht auf. Er kann bei jeder Ankerstellung anlaufen. Für leistungsstarke Motoren werden oft statt der “Permanente” Elektromagnete, sogenannte “Feldmagnete”, benutzt. Dabei kann die dazugehörige Spule mit der des Ankers in Reihe oder parallel geschaltet werden. Werden die Anschlüsse der Spannungsquelle vertauscht, ändert sich die Drehrichtung des Rotors nicht. Die Pole von Anker und “Feldmagnet” werden gleichzeitig umgekehrt. Diese Motoren laufen auch mit Wechselspannung. Man nennt sie „Allstrommotoren“. Zum Schluss des Videos noch zu einem weiteren Motor, dem “Schrittmotor”. Der zum Beispiel für einen Druckkopf benötigt wird. Wir zeigen hier das Funktionsprinzip. Umlaufend wird zunächst durch eine Spule ein Magnetfeld erzeugt. Dann werden zwei nebeneinanderliegende Spulen gleichzeitig aktiviert. Dadurch steht der Rotor, hier durch einen Magneten dargestellt, einmal genau vor einem Pol des resultierenden Magnetfeldes, dann wieder zwischen zwei Polen. Und als Resultat ergibt sich hier eine schrittweise Drehung des Rotors um jeweils 45 Grad. Eine umlaufende Aktivierung der Magnetpole des Ankers erzeugt eine schrittweise Rotation. Wir fassen zusammen: “Gleich”- und “Wechselstrommotoren” funktionieren mit einem Kommutator oder Polwender. Motoren mit “Doppel-T-Anker” starten mit Anwerfen, solche mit “Mehrfach-T-Anker” ohne Anwerfen. Allstrommotoren arbeiten sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselspannung. Bei einem “Schrittmotor” dreht sich der Rotor in Schritten weiter, wenn die “Statormagnete” geeignet umgepolt werden. Das war es für heute. Ich hoffe, dir hat es etwas Spaß gemacht und du hast alles verstanden. Bis zum nächsten Mal.

9 Kommentare

9 Kommentare
  1. hä und wie funktioniert jetzt ein Wechselstrommotor.

    Von Amend Juergen, vor mehr als 3 Jahren
  2. Sehr gut veranschaulicht

    Von Angela K., vor fast 4 Jahren
  3. Wenn ich einen mit Elektromotoren bestückten Zug betrachte, kann da auch Indukktionsspannung abgegriffen werden? Falls ja, wie und könnte die Spannung dann innerhalb des Zuges genutzt werden?

    Von Deleted User 291810, vor mehr als 4 Jahren
  4. Ne nicht so geil

    Von Noe K., vor fast 5 Jahren
  5. Thx

    Von Ru Kroker, vor etwa 5 Jahren
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Elektromotoren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektromotoren kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne Funktionsprinzipien des Drehspulinstruments.

    Tipps

    Die Drehspule ist beweglich gelagert. Überlege genau, was dies für den Aufbau des Instrumentes bedeutet.

    Lösung

    Eine Drehspule befindet sich im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten. Fließt ein elektrischer Strom durch die Drehspule, so erzeugt dies ein Magnetfeld um die Spule. Dadurch entstehen Abstoßungs- und Anziehungskräfte, die eine Drehung der Spule im Inneren des Hufeisenmagneten bewirken. Ist die Drehspule mit einem Zeiger verbunden, so kann die Auslenkung auf einer Skala dargestellt werden. Da die Auslenkung der Drehspule von der Stromstärke in der Spule abhängt, ist diese ein Maß für die Stromstärke in der Spule. Wenn das Gerät geeicht wurde, kann diese somit mit dem Instrument gemessen werden.

  • Nenne Beispiele für Generatoren und Elektromotoren.

    Tipps

    Überlege für die einzelnen Fälle, welche Energieumwandlung stattfindet.

    Ein Generator erzeugt elektrische Energie aus mechanischer Energie. Ein Elektromotor tut genau das Umgekehrte.

    Lösung

    Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Da elektrische Energie die Energieform ist, die sich am besten (zum Beispiel über Hochspannungsleitungen) transportieren lässt, finden Generatoren in fast allen Arten von Kraftwerken Anwendung. In Kohle- und Kernkraftwerken werden Turbinen mit Wasserdampf angetrieben. Diese Turbinen betreiben wiederum Generatoren, die die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Auch Wind-, Wasser- und Sonnenwärmekraftwerke nutzen Generatoren zur Gewinnung elektrischer Energie aus anderen Energieformen. Lediglich bei der Photovoltaik findet eine direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie statt, sodass hier keine Generatoren benötigt werden.

    Der Elektromotor kann als das Gegenstück zum Generator bezeichnet werden. Er ist darauf ausgelegt, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Elektromotoren findest du an vielen Stellen im Alltag: Im Fön wird ein Propeller betrieben, Elektroautos beschleunigen mit Hilfe von Elektromotoren, E-Bikes unterstützen den Radfahrer beim Treten und alle Züge, die mit einer Hochspannungsleitung verbunden sind, werden mit Elektromotoren betrieben.

  • Bestimme die Drehrichtung des Elektromotors.

    Tipps

    Bedenke, dass sich ungleichnamige Pole anziehen.

    Der magnetische Nordpol wird hier rot und der magnetische Südpol grün gekennzeichnet.

    Lösung

    In den Abbildungen sind schematisch Elektromotoren mit Doppel-T-Ankern dargestellt. Der Anker befindet sich innerhalb des Stators. Die Polungen von Stator und Anker sind durch die Farben rot und grün dargestellt. Die Schleifkontakte, mit Hilfe derer die Umpolung des Ankers stattfindet, sind nicht eingezeichnet.

    Um die Drehrichtung des Elektromotors zu bestimmen, müssen die Polungen des Stators und des Ankers beachtet werden. Der Nordpol des Ankers (rot) wird von dem Südpol des Stators angezogen (grün) und zugleich von dem Nordpol (grün) des Stators abgestoßen. Die resultierende Kraft ist in der Abbildung durch Pfeile dargestellt. Der dargestellte Motor dreht sich demnach entgegen dem Uhrzeigersinn.

  • Entscheide, auf welcher Darstellung sich der Anker im Totpunkt befindet.

    Tipps

    Bei einem bestimmten Aufbau des Ankers (Rotors) gibt es keinen Totpunkt.

    Überlege dir, wie die magnetischen Kräfte wirken, wenn die äußeren Enden des Ankers jeweils einen magnetischen Pol darstellen.

    Lösung

    Bei horizontaler Ausrichtung befindet sich der Doppel-T-Anker im Totpunkt. Es treten hier keine Kräfte auf, die den Anker bei Anlegen einer Spannung in Rotation versetzen. Der Motor muss hier angeworfen werden. Läuft der Elektromotor mit Doppel-T-Anker, so bewirkt die Trägheit des Ankers, dass der Totpunkt bei jeder Umdrehung überwunden werden kann.

    Bei dem Design des Mehrfach-T-Ankers tritt dieses Problem nicht auf. Es gibt hier keine Stellung des Ankers, bei der sich die Kräfte auf dessen Magnetpole aufheben. Es gibt bei diesem Aufbau demnach keinen Totpunkt und der Elektromotor kann aus jeder Stellung ohne Anwurfhilfe starten.

  • Beschreibe die Abbildung.

    Tipps

    Beim Starten wird der Nachteil des Elektromotors mit Doppel-T-Anker deutlich.

    Überlege dir, wie die magnetischen Kräfte im Bild wirken.

    Lösung

    Der große Nachteil des Elektromotors mit Doppel-T-Anker ist die Tatsache, dass sich der Anker in waagerechter Stellung in einem sogenannten Totpunkt befinden kann. Der Nordpol des Rotors liegt dann genau vor dem Südpol des Stators und der Südpol des Rotors befindet sich genau vor dem Nordpol des Stators (siehe Abbildung). Es liegt hier ein Kräftegleichgewicht vor, das sich darin äußert, dass der Motor trotz angelegter Spannung nicht startet. Schon eine kleine Auslenkung des Rotors hebt dieses Gleichgewicht jedoch auf, sodass der Motor anläuft. Es wird daher gelegentlich eine Starthilfe benötigt. Läuft der Elektromotor mit Doppel-T-Anker erst einmal, so sorgt die Trägheit des Rotors dafür, dass der Totpunkt bei jeder Umdrehung überwunden werden kann.

  • Zeichne den Schaltplan eines Hauptschlussmotors.

    Tipps

    Beim Hauptschlussmotor werden die Spulen des Stators mit den Spulen des Ankers in Reihe geschaltet.

    Fertige eine eigene Skizze der Schaltung auf einem Blatt Papier an und zeichne hierauf die Kabelverbindungen ein.

    Lösung

    Um leistungsstarke Motoren wie zum Beispiel für eine strombetriebene Bahn zu bauen, reichen Permanentmagnete als Stator nicht aus. Es werden dann wie beim Rotor Elektromagnete verwendet.

    Die Spulen des Stators können hierbei in Reihe oder parallel zu denen des Ankers geschaltet werden. Bei einer Reihenschaltung spricht man von einem Hauptschlussmotor. Dieser kann auch bei Wechselspannung betrieben werden, da sich die Pole des Stators hier dann entgegengesetzt zu denen des Rotors umkehren.

    Die in dieser Aufgabe abgebildete Schaltskizze findest du in einer etwas anderen Form auch in dem Video. Auch wenn diese auf den ersten Blick etwas unterschiedlich aussehen, so handelt es sich dennoch um die selben Aufbauten.

    Hauptschlussmotoren finden zum Beispiel auch in vielen Haushaltsmaschinen wie Bohrmaschinen, Staubsaugern oder Küchenmaschinen Anwendung.

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