Kraft auf Stromleiter - E-motor

Elektrizitätslehre

Kraft auf Stromleiter - E-motor

  • Wie lautet die „UVW- oder Dreifingerregel“?
  • Wie ist ein Elektromotor aufgebaut?
  • Wie funktioniert eine Magnetschwebebahn?

Elektrodynamischer Lautsprecher

Bei Lautsprechern werden elektrische Schwingungen in Schallschwingungen umgesetzt. Dabei soll der Klang bei der Umsetzung möglichst wenig verfälscht werden. Die hörbaren Frequenzen erstrecken sich über den weiten Bereich von ca. \(16{\rm{Hz}}\) bis \(20{\rm{kHz}}\) (ca. 10 Oktaven) und sind in guter Qualität mit einem Lautsprecher nicht übertragbar. Hi-Fi-Lautsprecher bestehen daher meist aus drei Einzellautsprechern für tiefe, mittlere und hohe Tonlagen. Es gibt mehrere Lautsprechertypen, die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten. Am verbreitetsten ist der sogenannte elektrodynamische Lautsprecher, er zeichnet sich durch Robustheit, guten Wirkungsgrad und einfachen Aufbau aus.

Die vom Wechselstrom mit Tonfrequenz durchflossene Spule befindet sich im Luftspalt eines kräftigen Dauermagneten.

2 Aufbau und Funktionsweise eines elektrodynamischen Lautsprechers

Die Animation in Abb. 2 zeigt die Funktionsweise eines elektrodynamischen Lautsprechers.

Aufgabe

Erläutere mit Hilfe der Animation in Abb. 2 die Funktionsweise des elektrodynamischen Lautsprechers.

Lösung

Man kann sich die Kraftrichtung auf die stromdurchflossenen Leiter mit der UVW-Regel der rechten Hand überlegen (Ursache: techn. Strom; Vermittlung: Magnetfeld; Wirkung: Kraft).

Durch die Änderung der Stromrichtung ergibt sich auch eine Änderung der Kraftrichtung, so dass der Lautsprecherkonus hin- und herbewegt und die Luft in Schwingungen versetzt wird.

Elektromotor-Typen

1 Grundlegender Aufbau und zugehörige Begriffe eines Elektromotors

Hinweis: Die folgende Typisierung folgt in großen Teilen dem Artikel von Prof. Berge in NiU Heft32.

Elektromotoren sind Maschinen bei denen elektrische Energie in mechanische Energie (kinetische Energie der Rotation) umgesetzt wird. Der Vielzahl der Motortypen ist ein Grundprinzip gemeinsam: Die elektrischen Ströme in einem feststehenden Teil wechselwirken mit den elektrischen Strömen in einem rotierenden Teil.

Elektromotoren gibt es in einem sehr weiten Leistungsbereich: Vom Spielzeugmotor mit einigen Watt bis zu großen E-Loks mit Leistungen im Megawatt-Bereich; dieser weite Leistungsbereich ist bei Verbrennungsmotoren nicht möglich.

Stromwender-Motor: Räumlich konstantes Magnetfeld im Ständer - Magnetfeld im Läufer durch stromführende Spulen erzeugt

Alle Stromwendermotoren zeichnen sich dadurch aus, dass die Polarität der rotierenden Spule (Elektromagnet) selbst gesteuert werden muss. Eine mit der Drehachse verbundene Schaltvorrichtung muss die Spule im richtigen Augenblick umpolen. Dies wird durch den Stromwender (Kommutator) erreicht.

Je nachdem wie das Magnetfeld im Ständer erzeugt wird, unterscheidet man zwei Fälle:

Statorfeld durch Dauermagnete Statorfeld durch Elektromagnete
  • Der einfachste Elektromotor besitzt einen zweipoligen Stator und einen ebenfalls zweipoligen Elektromagneten als Läufer. Um die Drehbewegung aufrecht zu erhalten, müssen die Pole des Läufers nach jeder Halbdrehung umgekehrt werden, was durch den Kommutator bewirkt wird.
  • Weil der Doppel-T-Läufer an zwei sich gegenüberliegende Schiffsanker erinnert, hat sich für den Läufer auch der Begriff "Anker" eingebürgert.
  • Ein Nachteil des Motors mit Doppel-T-Anker ist, dass er nicht in allen Ankerstellungen selbstständig anläuft. Dieser Nachteil wird durch einen Anker der aus mehreren Spulen besteht, die um einen Winkel versetzt sind, aufgehoben (Trommelanker).
  • Durch Umpolen der Gleichspannung kann die Drehrichtung geändert werden
  • Nur für Gleichspannung geeignet
  • Drehzahl steigt mit Spannung
  • Wirkungsgrad zwischen 50% und 80%
  • Serienschaltung von Erreger- und Ankerwicklung: Hauptschlussmotor
  • Geeignet für Gleich- und Wechselspannung (Universalmotor)
  • Großes Anlaufdrehmoment; daher Einsatz bei Maschinen mit starkem Lastwechsel (z.B. Straßenbahnmotor)
  • Parallelschaltung von Erregerwicklung (macht Statorfeld) und Ankerwicklung: Nebenschlussmotor
  • Drehzahl ist nahezu lastunabhängig
  • Für Wechselspannung zwar prinzipiell geeignet, hat aber auf Grund der verhältnismäßig hohen Wicklungszahl große Leistungsverluste durch ständigen Feldauf und -abbau und wird deshalb für Wechselstrom nicht verwendet.
  • Drehrichtung des Motors wird umgekehrt, wenn man die Richtung von Statorfeld oder Läuferfeld umgekehrt.

Drehfeld-Motor: Räumlich und zeitlich veränderliches Magnetfeld im Ständer (erzeugt durch stromführende Spulen) - Magnetfeld im Läufer durch stromführende Spulen oder durch Permanentmagnet erzeugt

Das Magnetfeld im Ständer eines Drehfeldmotors läuft mit einer bestimmten Frequenz um, die höchstens gleich der Frequenz der Betriebsspannung sein kann.

Je nachdem wie das Magnetfeld im Läufer erzeugt wird, unterscheidet man zwei Fälle:

Asynchronmotor Synchronmotor
  • Das Drehfeld des Stators induziert in den Leiterbahnen des Läufers Ströme, die ein Magnetfeld bewirken. Man nennt diesen Motor deshalb auch Induktionsmotor.
  • Der Läufer besteht aus einem Dauermagneten oder aus einem mit Gleichstrom erregten Elektromagneten der synchron mit dem Feld des Stators rotiert.

Hinweis: Auf dieser Seitewird nur eine Typisierung der Drehfeldmotoren gegeben. Dieser Motortyp wird in der Mittelstufe meist nicht behandelt, da er Kenntnisse über die elektromagnetische Induktion und über den Drehstrom erfordert.

Transrapid - Magnetschwebebahn

Über den Bau von Schnellbahnen wird in der BRD sehr kontrovers diskutiert. Einerseits könnte eine Schnellbahn mit Geschwindigkeiten um die 400km/h den Flugverkehr innerhalb Deutschlands weitgehend überflüssig machen. Andererseits sind die Kosten für ein solches System sehr hoch, so dass die Gegner fordern, den billigeren ICE weiter voranzutreiben.

Aus physikalischer Sicht ist die Magnetschwebebahn in jedem Fall sehr interessant, da sie sich sehr stark von den bisherigen Eisenbahnen unterscheidet. Die Magnetschwebebahn hat keine Räder, Achsen, Getriebe und Oberleitungen. Sie rollt nicht, sondern sie schwebt. An die Stelle von Rad und Schiene bei der herkömmlichen Eisenbahn tritt beim Transrapid ein berührungsfreies elektromagnetisches - und daher nahezu verschleißfreies - Trage-, Führungs- und Antriebssystem.

 

Das Führungs- und Tragesystem
Tragemagnete ziehen das Fahrzeug von unten an den Fahrweg heran, während die Führungsmagnete es seitlich in der Spur halten. In beiden Fällen handelt es sich um Elektromagnete, die durch ein elektronisches Regelsystem so gesteuert werden, dass der Abstand des Fahrzeugs vom Fahrweg gleichbleibend etwa 10 mm beträgt.

Mit dem Transrapid können Reisegeschwindigkeiten von 400 - 500 km/h erreicht werden.

Wie der Antrieb des Transrapid arbeitet, kann auf dieser Stufe noch nicht erklärt werden. Wenn du trotzdem eine Vorahnung bekommen willst, so kannst du dir den folgenden Abschnitt durchlesen. Außerdem findest du einen Link, der zu interessanten Informationen und Darstellungen führt.

 

Das Antriebssystem
Der Antrieb des Transrapid erfolgt durch einen Linearmotor (genauer: synchroner Stator-Linearmotor). In den grün gezeichneten Elektromagneten (Statorspulen), die in Dreierpaketen längs des Fahrwegs angebracht sind, wird ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, das sich längs des Fahrweges ausbreitet. Von diesem Wanderfeld wird das Fahrzeug durch seine als Ankermagnete wirkenden Tragmagnete (rot) mitgezogen. Beschleunigt und gebremst wird nicht vom Fahrzeug selbst, sondern indem die Frequenz und die Stärke des durch die Schienenmagnete erzeugten Wanderfeldes reguliert wird. Um Energieverluste zu vermeiden, werden immer nur die Statorspulen des Fahrwegs eingeschaltet, bei denen sich der Transrapid gerade befindet.
Die Technik und der Aufbau des Transrapid ermöglichen eine relativ hohe Sicherheit für die Passagiere. Durch die Umschließung des Fahrweges ist eine Entgleisung prinzipiell unmöglich. Sollte es zu einem Stromausfall o.ä. kommen, setzt der Transrapid auf Kufen auf und gleitet dann wie ein Schlitten.

Der gesamte Fahrweg stellt den Stator eines in die Länge gezogenen Elektromotors dar. Man rechnet etwa mit Investitionskosten von ca. 9 Millionen Euro pro Kilometer Fahrweg. Anders als bei herkömmlichen Verkehrsmitteln sitzt also ein wesentlicher Teil des Motors beim Transrapid nicht im Zug, sondern im Fahrweg. Dies hat den Vorteil, dass die Magnetschwebebahn erheblich leichter ist als eine herkömmliche Zuggarnitur.

Ausführliche Informationen über den Transrapid erhältst du auf der Seite: http://www.transrapid.de/cgi-tdb/de/basics.prg?session=5496df8e4372255c. Hier gibt es auch eine kleine Animation zum Tragesystem und zum Antrieb des Transrapid.

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