Antriebe und Motoren

Schnelle Übersicht:

• Grundprinzipien von E-Motoren
• Synchron/Asynchronmotoren
• Grundbegriffe: Drehfelddrehzahl, Nenndrehzahl, Schlupf
• Motor-Typenschild interpretieren
• Getriebe und Übersetzungsverhältnisse
• Anlassverfahren, Bremsverfahren
• Drehzahlsteuerung, FU, 87Hz-Betrieb
• Betriebsarten, Isolierstoffklassen, Normmotoren
• Motorschutz
• DC-Motoren
• H-Brücke
• Schritt- und Servomotoren

Grundprinzipien von E-Motoren

Am Anfang steht das Verständnis der Grundprinzipien von Elektromotoren.
Voraussetzung dafür sind die physikalischen Grundlagen zum Thema Magnetismus (Kraft auf stromdurchflossene Leiter, Induktion, ...).
Es war also nicht unnötig, sich damit zu befassen ;-).

Einige Schulvideos zur Einführung finden sich hier!

Zum Grundlagenverständnis ist dieses ältere Video als Einstieg in das Thema sehr gut geeignet. Die prinzipielle Entstehung des Drehfeldes wird anschaulich und vereinfacht erklärt. Da das Video nicht in externen Webseiten integriert werden kann, muss es direkt auf YouTube aufgerufen werden:

https://www.youtube.com/watch?v=UeIDHfg_644

Im zweiten (animierten) Video werden die physikalischen Vorgänge ausführlich und anschaulich erklärt:

Fragen zu den beiden Videos:

1. Erkläre den grundlegenden Aufbau eines Drehstrommotors.
2. Erkläre, wie das Stator-Drehfeld grundsätzlich entsteht.
3. Beschreibe den Unterschied zwischen dem Motor im ersten und zweiten Video. 
4. Erläutere, warum dieser Motortyp als "Induktionsmotor" bezeichnet wird.
5. Beschreibe den Aufbau des "Kurzschlussläufers".
6. Erkläre die Begriffe Synchrone Drehzahl, Läuferdrehzahl und Schlupf.
7. Warum kann die Drehzahl des Läufers niemals die Drehfelddrehzahl erreichen?
8. beschreibe, wie die "Eigenkühlung" des Drehstrommotors realisiert wird.

Zwei Demos zu Drehfeldmotoren
Zu den Standard-Demos beim Thema Motoren gehört der Aufbau mit einem manuellen "Drehstrom-Generator". Dieser "baut" durch eine trickreiche Schaltung (durch Kurbel-Drehung verstellbare Widerstände) aus Gleichstrom ein 3-Phasen-Drehstromsystem zusammen. Die Frequenz ist dabei von der Kurbelgeschwindigkeit abhängig. Dies ist auch in der Realität so, wo die Netzfrequenz ebenfalls von der Drehzahl der Kraftwerksgeneratoren abhängt.
Zunächst sieht man einen Synchronmotor mit einem Permanent-Magnetläufer, bei dem die Läufer-Drehzahl der Drehzahl des äußeren Drehfeldes entspricht (synchron ist):

Im Fortsetzungs-Video kommt statt dem Permanent-Magnetläufer ein Induktionsläufer zum Einsatz. Wo liegt hier der Unterschied?
Wie schon im oberen animierten Video zu sehen ist, wird der für das Läufermagnetfeld nötige Strom hier durch Induktion erzeugt. Induktion setzt allerdings voraus, dass der Läufer und das Drehfeld unterschiedliche Drehzahlen haben. Wäre das nicht so, würde die Spule kein sich änderndes Magnetfeld "sehen" und dann auch keine Spannung induziert werden, kein Läuferstrom fließen.
Daher ergibt sich prinzipiell immer eine Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Läufer.  Dies wird Schlupf genannt. Beide laufen also nicht "synchron", sondern eben "asynchron" zueinander.

Getriebe und Übersetzungsverhältnisse
Jeder, der schon einmal mit einem Kraftfahrzeug oder auch Fahrrad unterwegs war - also eigentlich wirklich jeder hierzulande ;-) -  hat eine grobe Ahnung davon, wozu ein Getriebe gut und nötig ist.
Gut kann man das selbst tatsächlich beim Fahrrad erfahren:
Entweder kann man dabei...

1. schnell unterwegs sein (großes Ritzel vorne auf kleines Zahnrad am Rad) oder
2. einen Berg hinauf fahren (kleines Ritzel vorne auf großes Zahnrad am Rad)

Beides gleichzeitig, also Berg und schnell, geht nur mit Doping oder elektrisch ;-).
Bei Getrieben geht es immer um die Übersetzung von Drehzahl n und Drehmoment M.
Da die Leistung P sich aus dem Produkt von n und  M errechnet und diese sich durch das Getriebe nicht erhöht (sondern wegen Verlusten eher verringert), kann sich bei Übersetzungsverhältnissen niemals Drehzahl und Drehmoment gleichzeitig steigern.
Die Größen verhalten sich also gegenläufig: Steigt n, muss M sinken und umgekehrt.

Das wir auch beim Beispiel des Akkuschraubers deutlich.
Entweder erhält man...

• im 1. Gang niedrige Drehzahl und hohes Drehmoment beim Schrauben oder
• im 2. Gang hohe Drehzahl und niedriges Drehmoment beim Bohren

Zudem gilt immer: So lange das erzeugte Moment einer Maschine (Antriebsmoment) größer ist als das Lastmoment (Bremsmoment), kann die Maschine die Last antreiben.
Die folgende Prüfungsaufgabe befasst sich genau damit:

Aufgaben zu Übersetzungsverhältnissen und Drehmomenten

Anlassen, Bremsen ... Drehzahl regeln...

Da Motoren ja nur in Ausnahmefällen ständig und mit konstanter Drehzahl in Betrieb sind (z.B: die Pumpenantriebe in Wasserwerken) müssen diese beschleunigt, abgebremst und in der Drehzahl geregelt werden.

Bremsverfahren

Bei den Anlassverfahren, wird bekanntlich der hohe Anlaufstrom durch verschiedene Maßnahmen (Stern/Dreieck, Softstarter, FU) begrenzt.
Das Gegenstück dazu sind die Bremsverfahren.

1. Beim klassischen mechanischen Verfahren wird die Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgesetzt. Die Bremse wird warm, die Maschine kommt zum stehen. Da Bewegungsenergie "verloren" geht, spricht man auch von "Verlustbremsung".
2. Bei der Nutzbremsung wird der Motor in den Generatorbetrieb geschaltet. Ein großer Teil der beim Abbremsen frei werdenden Energie wird in das Netz/die Batterie zurück gespeist und ist damit nicht "verloren".
3. Eine Art der nicht-mechanischen Verlustbremsung ist das Gegenstrom-Bremsverfahren. Hier wird durch Tausch von zwei Außenleitern die Richtung des Drehfeldes entgegen der Laufrichtung geändert. Dies ergibt eine sehr hohe Induktionswirkung vom sich gegenläufig drehenden Motor und Drehfeld und einen maximal bremsenden Gegenstrom. Steht der Motor dann, wird abgeschaltet, da sonst die Maschine wieder umgekehrt anlaufen würde. Das Video demonstriert die Wirkung am Beispiel einer Brennholz-Kreissäge.

Aufgaben zum Video / allgemeine Fragen

Hinweis: Videos grundsätzlich zweimal ansehen.
Erster Durchgang: Allgemeinen Überblick zum Thema bekommen
Zweiter Durchgang: Auf Informationen zu den Fragen achten, Video eventuell kurz stoppen.

1. Nenne die beiden grundlegenden Arten von Bremsverfahren.
2. Erkläre knapp die Wirkungsweise des Gegenstrom-Bremsverfahrens.
   (> Fachkundebuch oder ... siehe oben ;-))
3. Überprüfe rechnerisch die Angabe der zugeführten elektrischen Leistung "P1" auf dem Typenschild.
4. Die abgegebene Leistung beträgt 4,5kW (Herstellerangabe). Berechne den Wirkungsgrad.
5. Nenne die Polpaarzahl des Motors und gib den Schlupf im Nennbetrieb an.
6. Erkläre, warum die Säge bei Trennung vom Netz erst nach langer Zeit zum Stehen kommt.
7. Der Motor läuft im Nennbetrieb. Berechne den Schlupf im Ausschaltmoment unter Berücksichtigung der Drehfeldumkehrung beim Gegenstrom-Bremsverfahren.
8. Erkläre die Bezeichnung der Anschlussleitung.

Stern oder Dreieck? 230/400V ... 400/690V was denn nun?
Hier die Anfrage eines fleißigen Schülers ;-), der es genau wissen wollte.
Und die Antwort.

87Hz am FU ... was soll denn das? Ergänzung, Hintergrund:
 
Ausgangspunkt, Ziel:
Die Motorleistung des Motors, der sonst nicht in Dreieckschaltung bei 400V/50Hz betrieben werden darf, soll über den Nennwert hinaus erhöht werden.
Und das geht so:

1. Die Motorleistung ist grundsätzlich immer das Produkt aus Spannung und Strom
2. Der Maximalstrom des Motors darf aber nicht überschritten werden!
3. Um Leistungssteigerung zu erzielen, werden die Werte am FU so eingestellt, dass der Nennstrom (der sonst bei 230V fließen würde!) genau bei 400V erreicht wird.
4. Da die Spannung (nicht aber der Strom!)  nun gegenüber der Typenschildangabe bei 400V um den Faktor 400V/230V (1,7) höher ist, ist auch die Leistung um das 1,7-fache höher.

Siehe hierzu die Zusammenfassung und die Diagramme im Dokument der Fa. Parker (Mit eigener Ergänzung am Schluss)

Aufgabe:
Lern-Animation von SIEMENS  zum FU, ergänzt mit weiteren wichtigen Themen:

http://www.feldmannmediagroup.com/wbt-static/micromaster/frameset.html

Da das Flash-Format Sicherheitslücken hat und direkt nicht mehr im Browser angezeigt wird, muss man einen Flast-to-HTML5-Converter benutzen (Ruffle).
Tipp: Firefox Portable herunterladen und das .swf to HTML5-Plugin intstallieren.
Die folgenden Aufgaben beziehen sich teilweise auf die obige Animation und teilweise auf die technische Information der Fa. Doepke. Die letzten Aufgaben sind Grundlagen-Wiederholungen

Grundlegende Fachkunde
Was bedeutet S1, S2? Und was sind Isolierstoffklassen? Was kennzeichnet Normmotoren?

Gleichstrommotoren

Klassische Gleichstrommotoren hatten, bevor es den FU gab, gegenüber den DASM den klaren Vorteil, dass bei ihnen über die Spannung auf einfache Weise die Drehzahl eingestellt werden kann. Aufgrund der Robustheit und Wartungsfreundlichkeit der DASM sind sie inzwischen in vielen Bereichen durch Drehstrommotoren verdrängt worden.
Dennoch sollte man die grundlegenden Typen kennen.
Von Bedeutung sind jedoch weiterhin folgende mit Gleichstrom versorgte Motoren

1. "Echte" DC-Motoren, bei denen über die so genannte H-Brücke Drehrichtung und Drehzahl (über PWM) eingestellt/geregelt werden kann.
   
2. "Brushless-DC"-Motoren:
   Eigentlich ein Widerspruch in sich, da DC-Motoren eine Bürste zur Bestromung des Ankers benötigen. In diesem Fall haben wir es aber mit Motoren zu tun, die zwar von außen mit DC versorgt werden, intern aber mit mehr oder weniger aufwendiger Elektronik ein Drehfeld erzeugen und daher eben technisch gesehen Drehfeldmotoren sind.
   Näheres siehe weiter unten beim Thema Schritt- und Servomotoren.

Animation zu DC-Motoren
Hier ist sehr gut zu sehen und erklärt, warum ein "echter" DC-Motor über mehrere Ankerwicklungen verfügt.

Aufgaben zum Video. Erkläre ...

1. die Funktion der "kohlebnürsten"
2. den Begriff "Kommutator"
3. warum ein DC-Motor über mehr als eine Ankerwicklung verfügt.
4. Beschreibe die Eigenbsschaften von zwei wichtigen DC-Motor-Typen und nenne jeweils mögliche Anwendungen dazu.

H-Brücke

Die H-Brücke hat ihren Namen von der Brückenanordnung der Schalttransistoren. Diese haben, zusammen mit der weiteren Ansteuerelektronik, folgende Aufgaben:

1. Rechts- Linkslauf, durch Umpolen der Spannung an den Motoranschlüssen, je nach Schaltzustand der Brückentransistoren.
2. Drehzahlsteuerung durch PWM (Einstellen der effektiven Spannungshöhe je nach Tastgrad, siehe Erklärvideo dazu unten).

Animation zur PWM mit Erklärung des Tastgrades

Fragen zum Video:
1.) Erkläre kurz das Prinzip der PWM
2.) Erkläre den Begriff Tastgrad
3.) Zeichne auf S. 4 in den Unterlagen in die Oszillogramme für einen Tastgrad von 20 und 80% ein.

Servo- und Schrittmotoren

Definition laut Wikipedia:
Als Servomotor werden spezielle Elektromotoren bezeichnet, die die Kontrolle der Winkelposition ihrer Motorwelle sowie der Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung erlauben. Sie bestehen aus einem Elektromotor, der zusätzlich mit einem Sensor zur Positionsbestimmung ausgestattet ist. Die vom Sensor ermittelte Drehposition der Motorwelle wird kontinuierlich an eine meist außerhalb des eigentlichen Motors angebrachte Regelelektronik übermittelt, den so genannten Servoregler, der die Bewegung des Motors entsprechend einem oder mehreren einstellbaren Sollwerten – wie etwa Soll-Winkelposition der Welle oder Solldrehzahl – in einem Regelkreis regelt.

Ein elektrischer Schrittmotor kann ebenso gezielt gesteuert werden, durch den Verzicht auf Sensorik und Regelkreis hat er jedoch insbesondere bei hohen Lasten diverse Nachteile gegenüber dem Servomotor.

Bei Schrittmotoren werden unipolare und bipolare Typen unterschieden. Näheres dazu findet sich hier.

In modernen Werkzeugmaschinen und Fertigungszentren kommen aufgrund ihrer Eigenschaften meist Servomotoren zum Einsatz. Näheres dazu in den weiteren Materialien.

Im folgenden Video der Fa. Nanotec wird die grundlegende Funktionsweise sowie die Betriebsarten anschaulich dargestellt:

Servomotoren:
Prüfungsaufgabe Winter 2019/20
Aufgabe FS 6

Hier ist nochmal komprimiert alles zusammengefasst, was man so wissen sollte.