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  einphasige Wechselstrommotoren

4.1 Vorspann

Wechselstrommotoren sind Elektromotoren, die mit einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung betrieben werden. Häufiger sind allerdings solche Motoren, die mit einer mehrphasigen Wechselspannung versorgt werden; man nennt sie Drehstrommotoren. Wir werden sie noch ausführlich in Kapitel 5 kennenlernen.

Im folgenden Kapitel stelle ich nun zwei grundlegend verschiedene Wechselspannungsmotoren vor, die problemlos an eine einphasige Wechselspannung aus einer Steckdose (= 230V) angeschlossen werden können.

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4.2 Der Universalmotor

Der Universalmotor ist eigentlich ein Gleichstromreihenschlußmotor. Er kann aber sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom betrieben werden. Wegen seiner häufigen Anwendung in elektrischen Haushaltsgeräten, elektrischen Werkzeugen, oder Elektrolokomotiven die aus dem Wechselstromnetz bzw. einer Wechselstromquelle gespeist werden, soll er hier im Kapitel "Einphasige Wechselstrommotoren" behandelt werden.

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4.3 Funktionsweise des Universalmotors

Bild 4.1 Schaltbild
Um einen Gleichstromreihenschlußmotor mit Wechselstrom zu betreiben muß sein gesamter magnetischer Kreis geblecht ausgeführt werden, um Wirbelströme zu unterdrücken. In Bild 4.1 kann man die Reihenschaltung von Anker- und Erregerwicklung erkennen. Diese Reihenschaltung bewirkt, daß der Erregerfluß F nicht konstant, sondern proportional zum Belastungsstrom (Ankerstrom I A) ist, der die Erregerwicklungen durchfließt. Aus diesem Grunde wird bei Universalmotoren die Windungszahl N auch relativ klein gehalten, während die Wicklungen allgemein einen großen Durchmesser aufweisen.
Der Drehzahlabfall D n ist nicht konstant, genauso wie der Fluß F nicht konstant ist. Dieser hängt vom angreifenden Lastmoment ab. Aus der für Reihenschlußmaschinen charakteristischen "weichen" Kennlinie ersieht man, wie die Drehzahl des Motors bei Belastung stark abnimmt. Dieses Verhalten nennt man "Nachgiebigkeit". Von Vorteil kann der Hyperbelcharakter der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie sein, da so das Produkt n M und damit die mechanische Leistung P = W M = 2p n M konstant sind, unabhängig vom erforderlichen Moment. Das heißt, dem Netz wird für alle Drehzahlen eine nahezu gleichbleibende elektrische Leistung entnommen. Dies wiederum wirkt sich günstig auf den Netzbetrieb aus.
Bild 4.2 Kennlinie
Die Richtung des aus dem Netz fließenden Stroms hat dabei keinen Einfluß auf die Drehrichtung des Läufers. Die Stromrichtung polt sich bei Wechselstrombetrieb nämlich gleichzeitig in Ständer und Läufer um. Damit bleibt auch die Richtung des Drehmoments, das von den stromdurchflossenen Ankerspulen erzeugt wird, gleich.
Ein Nachteil von Universalmotoren ist, daß bei einer plötzlichen Verringerung der Belastung das Drehmoment stark ansteigt. Man spricht von einem "Durchgehen" des Motors. Damit keine besonderen Maßnahmen gegen das Durchgehen eines Motor ergriffen werden müssen, werden Universalmotoren meist so konstruiert, daß sie die höchste Drehzahl noch
aushalten können (z.B. el. Haushaltsgeräte), die nur durch den elektrischen Widerstand der Wicklungen und durch die Reibung gegeben ist. Motoren mit größeren Leistungen kann man durch Fliehkraftschalter oder durch eine zusätzliche Nebenschlußwicklung schützen. In diesem Fall spricht man von einem "Doppelschlußmotor".
Um eine Drehzahländerung zu erreichen, muß man Widerstände in den Stromkreis vorschalten. Die Umkehr des Drehmoments hingegen erfolgt durch Umpolen des Erregerfeldes oder des Ankers.
 

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4.4 Der Einphasen-Induktionsmotor

Wie schon der Name sagt, wird der Einphasen-Induktionsmotor
Bild 4.3
im Gegensatz zum Drehstrom-Induktionsmotor (=Asynchronmotor, siehe Kapitel 5.4) nur mit einer einphasigen Wechselspannung betrieben. Als Läufer werden Käfigläufer (siehe Kapitel 5.4.5.2 und Bild 4.3 = schematischer Aufbau) verwendet. Im Blechpaket des Ständers sind zwei Wicklungsstränge untergebracht. Der Hauptstrang, auch als Hauptwicklung bezeichnet, ist in 2/3 der Ständernuten eingelegt und hat die Anschlussbezeichnungen U1 und U2. Die Hilfswicklung (Hilfsstrang) Z1, Z2 ist im verbleibenden Drittel der Ständernuten um 90° zum Hauptstrang räumlich versetzt, untergebracht. Damit im Läufer eine Spannung induziert wird, welche für seine Drehbewegung verantwortlich ist, muß das Magnetfeld, welches von den Haupt- und Hilfswicklungen erzeugt wird, ebenfalls eine Drehbewegung ausführen. Dazu müssen die in Haupt- und Hilfswicklung entstehenden Wechselfelder räumlich und zeitlich zueinander versetzt sein. Man nennt ein solches sich drehendes Magnetfeld Drehfeld (siehe Kapitel 5.2). Es ermöglich unter anderem den Selbstanlauf des Motors.
Bild 4.4
Die Drehfelddrehzahl beim Einphasen-Induktionsmotor ergibt sich wie bei den Drehstrommotoren aus der Polzahl und der Netzfrequenz. Die nötige Phasenverschiebung zwischen den Strömen der Hauptwicklung und der Hilfswicklung, die zur Drehfeldbildung führt, erreicht man durch eine Kapazität, einen Wirkwiderstand oder eine erhöhte Induktivität in der Hilfswicklung. Die entstehenden Drehfelder haben elliptische Form. In Bild 4.4 kann man ein eben erwähntes Drehfeld elliptischer Form erkennen. Der weiße Pfeil gibt den Drehsinn des Drehfeldes an.




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4.4.1 Einphasenmotor mit Widerstandshilfsstrang

Wie bereits angemerkt, bildet sich ein Drehfeld, wenn eines der drei genannten Elemente in den Hilfsstrang vorgeschaltet wird. Bei unserem Beispiel soll ein Wirkwiderstand zugeschaltet werden. Dieser Wirkwiderstand kann auch durch das Wickeln der Hilfswicklung mit Widerstandsdraht hergestellt werden. Meistens allerdings führt man die Hilfswicklung als "bifilare Wicklung" aus. Dabei wird einfach 1/3 der Spulenwindungszahl gegenläufig zu den anderen Windungen gewickelt. Bei einer solchen bifilaren Wicklung wird die induktive Wirkung teilweise aufgehoben, während der Wirkwiderstand erhalten bleibt.
Wegen Überhitzungsgefahr muß dieser Widerstandshilfsstrang nach dem Hoch-laufen des Motors auf die Betriebsdrehzahl abgeschaltet werden (z.B. durch Fliehkraftschalter). Nach dem Abschalten arbeitet der Motor wie ein Anwurfsmotor.
Motoren mit einem beschränkten Widerstandshilfsstrang werden mit Nennleistungen bis zu 300 W gebaut. Das Anlaufmoment entspricht dabei dem Nennmoment. Man verwendet solche Motoren dort, wo vorwiegend ein stationäres Verhalten, also eine geringe Ein- bzw. Abschalthäufigkeit auftritt (z.B. für Kühlschrankkompressoren und als Ölbrennermotoren).

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