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Der Universalmotor
Kurzfassung der
Projektarbeit im SS 2007von
S. HolzingerStudiengang Allgemeine Elektrotechnik
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. E. Nolle
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Grundlagen
Elektromagnetismus
Elektrische Maschinen beruhen auf dem Grundprinzip des Elektromagnetismus.
Hierbei gilt:
Ein Strom I, der durch einen elektrischen Leiter fließt,
erzeugt ein Magnetfeld B:
B = µ ∙ ( N ∙ I ) / l
Weiter werden zwei wichtige Grundeigenschaften elektromagnetischer Felder
angewendet:
Das Induktionsgesetz sowie die Lorenzkraft.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 2
Quelle: de.wikipedia.org
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Grundlagen
Induktionsgesetz
Wird ein Leiter der Länge l im Magnetfeld der Flussdichte B
mit der Geschwindigkeit v bewegt, so wird
in ihm die Spannung Ui induziert:
Ui = l ∙ v ∙ B
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 3
Ui
B
Quelle: de.wikipedia.org
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Grundlagen
Lorenzkraft
Wird ein Leiter der Länge l im Magnetfeld der Flussdichte B,
vom Strom I durchflossen, so wirkt auf ihn die Kraft F:
F = l ∙ I ∙ B
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 4
Quelle: de.wikipedia.org Quelle: www.schulmodell.de
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Grundlagen
Wirkungsweise
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 5
Quelle: www.uni-muenster.de
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Grundlagen
Wirkungsweise
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 6
Quelle: www.uni-muenster.de Quelle: www.8ung.at/elektrotechnik
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Universalmotor
Ein Universalmotor ist ein an Wechselstrom betriebener Gleichstrommotor.
Einsatzgebiete
Die Einsatzgebiete der Universalmotoren sind unter anderem:
- Haushalt
- Heimwerkerbereich
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 7
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Aufbau
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 8
Quelle: www.uni-muenster.de
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Aufbau
Stator
Im Stator wird ein Magnetfeld mit ausgeprägten Polpaaren erzeugt.
Das wechselnde Statorfeld lässt jedoch keine massive Bauweise zu.
Um Wirbelströme zu vermeiden, muss der Stator aus Elektroblechen geschichtet werden.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 9
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Aufbau
Rotor (Anker)
Wegen der zusätzlichen Ummagnetisierung bei der Drehung muss auch der Rotor aus Elektroblechen hergestellt werden
(Diese werden i. d. R. gemeinsam aus einem Blechstreifen gestanzt.)
Die Wicklungen des Rotors verlaufen in den Ankernuten.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 10
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Aufbau
Stromwender (Kollektor)
Der Stromwender besteht aus gegeneinander
isolierten Hartkupferlamellen.
Durch feststehende Kohlebürsten werden bei der Rotordrehung immer
andere Ankerspulen vom Strom durchflossen.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 11
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AufbauKonstruktionsteile
- meist direkt mit an die Maschine bzw. das Getriebe angekuppelt
Ausführung als sog. Teilemotor.
- Lagerung oft durch das angetriebene Gerät
sie zentriert den Rotor drehbar im Stator.
- meist offene Bauweise mit direkt angetriebenem Lüfter
zur Motorkühlung und Drehzahlbegrenzung.
- Stromwender:
dadurch zusätzliche Baulänge des Motors.
- Kohlebürsten
erfordern Maßnahmen gegen innere Verschmutzung.
- bevorzugt hohe Drehzahl
für hohe Leistung bei kleinen Abmessungen und niedrigem Gewicht.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 12
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Erregungsart Reihenschlusserregung
- Bei Universalmotoren kommt die Reihenschlusserregung zum Einsatz.
- Größtes Anzugsmoment, da der Laststrom das Erregerfeld verstärkt.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 13
Quelle: www.wikipedia.orgQuelle: de.wikipedia.org
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Polpaarzahl
Die Polpaarzahl gibt die Anzahl
der Hauptpolpaare des Stators an.
Universalmotoren sind
bevorzugt 2polig.
Die Drehzahl des Motors
lässt sich über die
Wicklungen beliebig
vorgeben.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 14
BürstenverstellungBei Universalmotoren mit fester Drehrichtung lässt sich die Kommutierung
durch Bürstenverstellung verbessern.
Hauptpol
Quelle: www.uni-muenster.de
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Funktionsweise
- Wird bei einem Gleichstrommotor das Ständer- und Läuferfeld gleichzeitig
umgepolt, so ändert sich die Drehrichtung des Motors nicht.
- Da bei Reihenschlusserregung somit die Stromrichtung keinen Einfluss auf die Drehrichtung des Motors hat, kann man diese als Universalmotoren auch mit Wechselstrom betreiben.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 15
Quelle: HS Esslingen
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Ersatzschaltung
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 16
Quelle: HS Esslingen
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Betriebskennlinien
Leerlauf:
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 17
Belastung:
Quelle: HS Esslingen
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Drehzahlsteuerung
- Die Drehzahl kann besonders einfach und preisgünstig über eine Phasenanschnittsteuerung verändert werden.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 18
M
Quelle: www.wikiweise.de Quelle: www.wikiweise.de
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Besonderheiten
- Universalmotoren neigen als Reihenschlussmotoren im Leerlauf zum Durchgehen. Daher wird die Leerlaufdrehzahl oft durch geeignet dimensionierte Lüfterflügel auf zulässige Werte begrenzt.
- Funkenstörungen am Kollektor werden durch Entstörglieder unterdrückt. Dazu wird der Anker zusätzlich meist zwischen die beiden Erregerspulen geschaltet.
- Durch die hohe Betriebsdrehzahl sind Universalmotoren relativ laut und die Kohlen verschleißen schnell. Sie werden daher nur bei begrenzter Nutzungsdauer (z. B. einige 100 Betriebsstunden) eingesetzt.
- Andererseits sind sie bei vorgegebener Leistung klein, leicht, billig und lassen sich auch einfach und preisgünstig drehzahlvariabel einsetzen.
Gleichstrommaschine Stefan Holzinger 19