Elẹktromotor,
neben dem Generator die wichtigste elektrische Maschine. Sie formt elektrische Energie in mechanischer Arbeit um. Neben den rotierenden Elektromotoren gibt es auch den Linearmotor zur Erzeugung geradliniger Bewegungen. Elektromotoren werden für Leistungen bis etwa 10 MW gebaut und vielseitig verwendet: vom Antrieb von Haushaltsgeräten, Büromaschinen und Elektrowerkzeugen bis zum Antrieb von Pumpen, Förderanlagen, Walzenstraßen und elektrische Bahnen.
Elektromotoren dürfen kurzzeitig über ihre Nennleistung hinaus belastet werden.Die Grenze dafür ist beim Drehstrommotor das Kippmoment, beim Gleichstrommotor die zulässige Beanspruchung des Kommutators. Im Dauerbetrieb wird die Belastbarkeit durch die Erwärmung begrenzt.
Gleichstrommotor
Die vom Magnetfeld in der Ankerwicklung induzierte Spannung ist dem Produkt aus der Drehzahl des Ankers und dem magnetischen Fluss proportional; die induzierte Spannung muss, mit den ohmschen Spannungsabfällen im Stromkreis des Ankers, der Klemmenspannung das Gleichgewicht halten. Beim leer laufenden Gleichstrommotor entspricht daher eine kleinere Drehzahl einem größeren Erregerstrom und damit einem größeren magnetischen Fluss und umgekehrt eine größere Drehzahl einem kleineren magnetischen Fluss. Das Drehmoment ist dem Produkt aus Ankerstrom und magnetischem Fluss proportional. Zur Verbesserung der Kommutierung erhalten Gleichstrommotoren meist Wendepole und bei großen Drehzahlbereichen auch eine Kompensationswicklung; diese hat die Aufgabe, die Rückwirkung des magnetischen Ankerfeldes auf das magnetische Hauptfeld auszugleichen.
Beim Gleichstrommotor mit Fremderregung und auch beim Gleichstrommotor mit Nebenschlusserregung (Nebenschlussmotor) liegt die Erregerwicklung über einen Vorwiderstand an einer konstanten Spannung. Dieser Vorwiderstand dient als Anlasser. Über ihn kann auch bei kleinen Leistungen der Erregerstrom und damit der magnetische Fluss eingestellt werden; bei großen Leistungen verwendet man die Leonard-Schaltung. Bei konstantem magnetischem Fluss ist der Ankerstrom dem belastenden Drehmoment proportional. Mit zunehmendem Drehmoment und damit zunehmendem Ankerstrom wird die Drehzahl gegenüber der Leerlaufdrehzahl, entsprechend den Spannungsabfällen im Stromkreis des Ankers, nur wenig kleiner (»hartes« Drehzahlverhalten). Steigert man den Erregerstrom, dann wird die Leerlaufdrehzahl kleiner, da bei einem großen magnetischen Fluss bereits eine kleinere Drehzahl zur Induktion der erforderlichen Spannung im Anker ausreicht; die Reduktion des Erregerstromes (Feldschwächung) bewirkt eine Erhöhung der Leerlaufdrehzahl. Treibt man einen solchen Motor mit einer größeren als der Leerlaufdrehzahl an, dann wird er zum Generator. Gleichstrommotoren dieser Schaltung eignen sich für Antriebe, die eine in weiten Grenzen einstellbare Drehzahl erfordern: Werkzeugmaschinen, Aufzüge.
Beim Gleichstrommotor mit Reihenschlusserregung (Reihenschlussmotor) fließt der Ankerstrom auch durch die Erregerwicklung. Der magnetische Fluss nimmt dann nahezu proportional mit dem Strom und damit auch mit dem Drehmoment zu. Dabei muss die Drehzahl mit wachsendem Drehmoment und wachsendem magnetischem Fluss immer kleiner werden (»weiches« Drehzahlverhalten). Da sich die Drehzahl eines Reihenschlussmotors bei Entlastung unzulässig erhöht (»Durchgehen« des Motors), darf er nie im Leerlauf betrieben werden. Wegen seines hohen Anzugsmoments bei mäßiger Stromaufnahme eignet er sich besonders als Antriebsmotor für Fahrzeuge (elektrische Bahnen), aber auch für Lüfter (Ventilatoren). Kleine Reihenschlussmotoren mit Leistungen bis etwa 500 W werden in voll geblechter Ausführung als Allstrommotoren oder Universalmotoren wahlweise für Gleich- oder Wechselstromspeisung ausgeführt.
Der Doppelschlussmotor (Verbundmotor oder Compoundmotor) besitzt außer der Nebenschlusserregerwicklung eine zusätzliche Reihenschlusserregerwicklung. Wirken beide Wicklungen in gleichem Sinn, dann liegt sein Drehzahlverhalten zwischen dem eines Nebenschlussmotors und dem eines Reihenschlussmotors. Er hat eine über die Erregung einstellbare Leerlaufdrehzahl. Mit zunehmender Belastung nimmt die Drehzahl mehr oder weniger stark ab, je nach Bemessung der Reihenschlusswicklung. Doppelschlussmotoren werden bei schweren Schwungradantrieben von Pressen und Schmiedehämmern verwendet.
Drehstrommotor
Der Drehstromasynchronmotor (Induktionsmotor) ist der wichtigste und am meisten verbreitete Elektromotor. Seine Drehzahl liegt nur wenig unter der synchronen Drehzahl. Diese wird durch den Quotienten aus Netzfrequenz und Polpaarzahl bestimmt. Die Drehzahl nimmt mit zunehmender Belastung zunächst nur sehr wenig ab bis in die Nähe des Kippmoments. Das Anzugsmoment hängt vom ohmschen Widerstand im Läuferkreis ab: Einem kleinen Widerstand entsprechen ein kleiner Schlupf und damit kleine Verluste und ein hoher Wirkungsgrad, aber auch ein kleines Anzugsmoment; ein genügend großer Widerstand im Läufer hat wohl ein günstiges Anzugsmoment, aber auch höhere Verluste und damit einen ungünstigeren Wirkungsgrad zur Folge. Ein hohes Anzugsmoment bei gutem Wirkungsgrad erreicht man mit einem Schleifringläufer, wenn beim Anzug in den Läuferkreis ein ohmscher Widerstand geschaltet wird, der bei Nenndrehzahl kurzgeschlossen ist. Eine ähnliche Wirkung erzielt man beim Kurzschlussläufer in der Ausführung als Doppelkäfigläufer oder Wirbelstromläufer. Bei diesem wird während des Anzugs infolge der hohen Schlupffrequenz der Strom gegen die Läuferoberfläche gedrängt und damit der wirksame Widerstand vergrößert. Kurzschlussläufermotoren sind sehr einfach und robust und werden bis zu den größten Leistungen verwendet. Zum Aufbau des magnetischen Feldes benötigt der Asynchronmotor Blindleistung, die er über die Ständerwicklung dem Netz entnimmt. Wird ein Asynchronmotor am Netz mit einer Drehzahl, die wenig über der synchronen Drehzahl liegt, angetrieben, wird er zum Generator.
Der Drehstromsynchronmotor ist mit seiner Drehzahl genau an die des Drehfeldes gebunden. Er entnimmt dem Netz keine Blindleistung, da seine Läuferwicklung mit Gleichstrom erregt wird. Bei Übererregung kann er Blindleistung an das Netz abgeben. Das Kippmoment ist kleiner als das des Asynchronmotors. Mittels einer lastabhängigen Erregung kann er auch bei starken Drehmomentstößen im Synchronismus gehalten werden. Der Anlauf erfolgt asynchron über eine Käfigwicklung, die in den Polschuhen des Läufers untergebracht ist. Zur Verbesserung des Anzugsmoments besteht diese wegen des höheren spezifischen Widerstandes meist aus Messing oder Bronze. Synchronmotoren werden z. B. zum Antrieb von Kolbenverdichtern verwendet. Kleine Drehstromsynchronmotoren werden ohne Gleichstromerregung als Reluktanzmotoren (Reluktanzmaschine) gebaut. Sie besitzen ausgeprägte Pole, die Schwankungen des magnetischen Leitwerts bewirken und damit den synchronen Lauf ermöglichen. Treibt man einen Synchronmotor mit seiner synchronen Drehzahl an, wird er zum Synchrongenerator.
Einphasenwechselstrommotor
Ein Drehstromasynchronmotor, der nur über zwei Klemmen an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, kann im Ständer nur ein einphasiges Wechselfeld erregen und daher nicht selbst anlaufen. Nach einer beliebigen Seite angeworfen, läuft er in diesem Drehsinn weiter. Leistung und Wirkungsgrad dieses nunmehr einphasigen Asynchronmotors sind schlechter als bei Drehstromspeisung. Selbstanlauf und besseren Wirkungsgrad erhält man, wenn der freie dritte Strang über einen Kondensator (Hilfsphase) ans Netz angeschlossen wird (Kondensatormotor). Der Spaltpolmotor ist ein zweiphasiger Asynchronmotor. Die Hilfsphase umfasst einen Teil des Wechselfeldes und ist kurzgeschlossen. Dort entsteht ein phasenverschobenes Teilfeld. Beide Felder ergeben ein elliptisches Drehfeld, das den Kurzschlussläufer in Richtung vom Haupt- zum Spaltpol antreibt. Einphasige Synchronmotoren werden meist nur für Leistungen bis 500 W gebaut. Es gibt vielerlei Bauarten: Reluktanzmotoren, Reaktionsmotoren, Impulsmotoren, Hysteresemotoren, Dauermagnetmotoren u. a. Diese Motoren werden in großen Stückzahlen für Geräte der Steuerungs- und Regelungstechnik sowie auch zum Antrieb von Synchronuhren gebaut. Nicht alle von ihnen können selbst anlaufen. Einphasige Wechselstromkommutatormotoren werden nur als Reihenschlussmotoren zum Antrieb elektrischer Bahnen mit Leistungen bis über 1 000 kW gebaut. Für Leistungen bis etwa 500 W werden sie meist als Universalmotoren zum Antrieb von Haushaltsmaschinen, Büromaschinen und Elektrowerkzeugen verwendet.
Zur Geschichte Elektrotechnik.
Literatur:
H. Reutzsch: Hb. für E. (31980);
W. Hanncke: Drehstrom- u. Einphasen-Asynchronmotoren (1983);
D. Dietrich u. W. Konhäuser: Mikrocomputergeregelte Asynchronmaschinen (1986);
H. Moczala: Elektr. Kleinmotoren (21993).