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Aufgabe

Gleichstrommotor

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

a)Begründe mit Hilfe der entsprechenden Regeln, wie die Spannungsquelle \(\rm{Q_1}\) gepolt sein muss, damit sich N- und S-Pol des Feldmagneten an den skizzierten Stellen befinden.

b)Begründe ausführlich, in welche Richtung sich die rechteckige Leiterschleife dreht.

c)Bei den üblichen Gleichstrom-Motoren besteht der Anker nicht aus einem rechteckigen Drahtrahmen.

Erläutere, welche Veränderungen man am Anker vornehmen kann, damit der Motor ein größeres Drehmoment bekommt und in jeder Stellung losläuft.

Die Ankerwicklung habe den Widerstand \(R = 1,0{\rm{\Omega }}\). Die Spannung der Quelle \(\rm{Q_2}\) beträgt \({U_2} = 200{\rm{V}}\).

d)Erkläre, warum im Dauerbetrieb durch den Anker ein Strom fließt, der kleiner als \(200{\rm{A}}\) ist.

e)Der Elektromotor soll nun ein Rührwerk antreiben.

Begründe, wie sich der Ankerstrom ändert.

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a)Mit Hilfe der "Rechten-Faust-Regel" kann man sich aus dem vorgegebenen Verlauf der Feldlinien des Magnetfeldes die Richtung des technischen Stromes \({I_\rm{M}}\) überlegen. Aus dieser Richtung folgt, dass bei Quelle \(\rm{Q_1}\) der Pluspol oben und der Minuspol unten liegen muss.

b)Aufgrund der vorgegebenen Polung der Quelle \(\rm{Q_2}\) ergibt sich die skizzierte Richtung des Ankerstroms \({I_\rm{A}}\). Mit Hilfe der UVW-Regel der rechten Hand kann dann die Richtung der magnetischen Kräfte \(\vec F\) gewonnen werden:

Ursache (Daumen): technische Stromrichtung;

Vermittlung (Zeigefinger): Magnetfeldrichtung;

Wirkung (Mittelfinger): Kraft \(\vec F\)

Aufgrund der skizzierten Kraftrichtungen ergibt sich für die Leiterschleife (Anker) eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn.

c)Eine Ankerspule besteht in der Regel nicht aus einer einzigen Windung, sondern aus vielen Windungen, wodurch ein stärkeres Magnetfeld erreicht wird. Zur weiteren Verstärkung des Magnetfeldes wickelt man diese in der Regel auf einen Eisenkern. Damit der Anker keinen Totpunkt besitzt, in dem er nicht loslaufen würde, wickelt man mehrere Spulen auf den Eisenkern, die um einen bestimmten Winkel gegeneinander versetzt sind.

d)Der Strom ist aufgrund der im Anker induzierten Gegenspannung \(U_\rm{ind}\) kleiner als \({I^*} = \frac{{{U_2}}}{R}\). Aufgrund der Regel von Lenz entsteht in der rotierenden Spule eine Gegenspannung, welche die Ursache ihrer Entstehung zu hemmen sucht:
\[{I_2} = \frac{{{U_2} - {U_\rm{ind}}}}{R}\]

e)Der Ankerstrom wird größer: Aufgrund der mechanischen Belastung durch das Rührwerk wird die Drehzahl zunächst geringer. Daraus ergibt sich, dass die induzierte Gegenspannung \(U_\rm{ind}\) kleiner wird. Eine geringere Gegenspannung hat aufgrund der Formel von Teilaufgabe d) einen größeren Strom \({I_2}\) zur Folge.