Versuchsaufbau
In den Stromkreis eines Gleichstrom-Elektromotors mit Permanentmagneten als Statoren wird ein Strommessgerät eingebaut (vgl. Abb. 1.1). Dieses misst anschaulich den durch den Rotor fließenden Strom. Für die genauere Messung kann auch ein Messwerterfassungssystem genutzt werden, dabei sind jedoch die relativ hohen Einschaltströme zu beachten.
Für den zweiten Versuchsteil wird beim Strommessgerät eine Nullpunkt-Mitte-Skala eingestellt und die Schaltung mit einem Wechselschalter erweitert. Mit diesem kann die Quelle vom Motor getrennt werden und stattdessen ein Kurzschluss der beiden Spulenanschlüsse hergestellt werden. Der Strommesser mit Mittelstellung zeigt wiederum den Stromfluss durch den Rotor.
Tipp: Ist kein Strommessgerät mit geeigneter Nullpunkt-Mitte-Skala verfügbar, kann ein solches mit Hilfe der Nullpunktverstellung improvisiert werden (siehe Abb. 1.2).
Beobachtung beim Einschalten
Beim Einschalten des Elektromotors steigt der Stromfluss \(I\) durch den Anker sofort stark an. Doch dann, wenn der Motor schnell dreht, geht die Stromstärke wieder etwas zurückgeht.
Erklärung
Ruht der Motor bzw. der Rotor, so spielt für den sich ergebenden Strom nur die Spannung \(U_0\) des Netzgerätes und der Widerstand \(R\) des Motors eine Rolle für den Stromfluss. Der Strom ergibt sich aus \(I=\frac{U_{0}}{R}\).
Sobald sich der Motor dreht, stellt der Rotor auch eine rotierende Spule im Magnetfeld dar, in die eine Spannung \(U_{\rm{ind}}\) induziert wird. Die rotierende Spule wirkt also auch als Generator. Die induzierte Spannung ist um so größer, je schneller sich die Spule dreht. Dabei ist die im bewegten Anker induzierte Spannung wegen der Lenzschen Regel der äußeren Spannung der Stromquelle, die für die Drehung ursächlich ist, entgegengerichtet.
Die Gesamtspannung, die für den Stromfluss verantwortlich ist, ergibt sich also betragsmäßig aus \(U_{\rm{ges}}=U_{0}-U_{\rm{ind}}\). Für den resultierenden Strom durch den Anker gilt daher \[I=\frac{U_{\rm{ges}}}{R}=\frac{U_{0}-U_{\rm{ind}}}{R}\]
Beobachtung bei gebremstem Motor
Bremst du den Motor ohne die Spannung an der Stromquelle zu ändern, indem du ihn durch Reibung an der Achse belastet, so steigt die Stromstärke sofort an.
Erklärung
Ursache hierfür ist, dass die Induktionsspannung \(U_{\rm{ind}}\), die der äußeren Spannung \(U_0\) entgegenwirkt und damit den Stromfluss verringert, abnimmt, wenn der Motor gebremst wird, sich also langsamer dreht. Dadurch ist die Gesamtspannung größer und es fließt ein größerer Strom.
Veranschaulichung der Rekuperation
Nun baust du in den Versuch einen Wechselschalter ein, der die Stromquelle vom Motor löst und gleichzeitig den Stromkreis geschlossen hält (vgl. Abb. 3).
Zu Beginn schließt der Wechselschalter den Stromkreis mit dem Netzgerät. Wenn sich der Motor schnell dreht, öffnest du den Schalter (noch nicht in die zweite Stellung bringen!) und beobachtest, dass es eine ganze Zeit dauert, bis der Motor sich ausdreht und wieder zur Ruhe kommt.
Nun schließt du wieder den Wechselschalter wieder, sodass der Motor wieder anlaufen kann. Wenn sich der Motor schnell dreht, betätigst du nun den Wechselschalter, sodass ein geschlossener Stromkreis nur mit rotierender Spule und Amperemeter entsteht.
Du kannst beobachten, dass durch den zunächst weiterlaufenden Rotor nach der Umschaltung weiterhin ein (schwächerer) Strom fließt, nun aber in entgegengesetzte Richtung. In den rotierenden Leiter wird also eine Spannung induziert, die für diesen Stromfluss ursächlich ist. Die Anordnung funktioniert als Generator und ein Teil der Bewegungsenergie kann so zurückgewonnen werden (Fachsprachlich: Rekuperation). Die Generatorspannung ist bei gleicher Umlaufrichtung des Rotors der Spannung der äußeren Stromquelle entgegengerichtet.
Bei geschlossenem Stromkreis durch den Rotor kommt der Rotor auch schneller zum Stillstand als ohne geschlossenen Stromkreis. In der Technik wird dies genutzt, um z.B. beim Bremsen den Akku eines Fahrzeuges wieder etwas aufzuladen.
Aufgabe
Aufgabe
Ein Motor wird an \(230\,\rm{V}\) angeschlossen. Beim Einschalten, wenn der Motor noch nicht dreht, fließt ein Strom von \(I_0=8{,}0\,\rm{A}\). Nach einiger Zeit dreht der Motor gleichmäßig und es fließt noch ein Strom von \(I_1=2{,}0\,\rm{A}\).
Berechne, wie groß der Anlasswiderstand des Motors und wie groß die induzierte Gegenspannung bei gleichmäßigem Motorlauf ist.