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Elektromotoren
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1.2.3 AC- und DC-Motoren
Der erste Elektromotor, ein Gleichstrommotor, wurde um das Jahr 1833 herum gebaut. Die
Drehzahlregelung ist bei diesem Motortyp einfach und hat die Anforderungen von vielen
unterschiedlichen Anwendungen zu dieser Zeit erfüllt. Die Steuerung des Gleichstrommotors
erfolgt durch eine Stromversorgung mit Gleichspannung, deren Höhe die Drehzahl des Rotors
beeinlusst. Die auf die Stator- und Rotorwicklungen angelegte Spannung führt zur Entstehung
von Magnetfeldern, die sich anziehen oder abstoßen und auf diese Weise zu einer Bewegung
des Rotors führen. Die dem Rotor zugeführte Energie wird über Bürsten, die gewöhnlich aus
Graphit sind, auf einen Kommutator übertragen. Der Kommutator stellt sicher, dass die nächste
Wicklung mit Strom versorgt wird, um eine kontinuierliche Drehung zu erreichen. Die Bürsten
sind mechanischem Abrieb ausgesetzt und müssen gewartet oder regelmäßig ausgewechselt
werden. Die Bedeutung von Gleichstrommotoren ist im Laufe der Zeit gesunken, und sie werden
heutzutage nur noch selten in Leistungsbereichen über wenigen hundert Watt eingesetzt.
Im Vergleich zu Gleichstrommotoren sind Drehstrommotoren viel einfacher und robuster.
Drehstrommotoren haben jedoch gewöhnlich eine feste Drehzahl- und Drehmomentkennlinie.
Aufgrund dieser festen Kennlinien eigneten sich Drehstrommotoren viele Jahre lang nicht für
viele unterschiedliche oder spezielle Anwendungen. Sie kommen aber dennoch in den meisten
Anwendungen zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie zum Einsatz.
Das Funktionsprinzip von Drehstrommotoren basiert auf der Wirkung eines rotierenden
Magnetfelds. Das rotierende Feld erzeugt entweder eine Mehrphasen-Wechselstromversorgung
(normalerweise eine Dreiphasen-Stromversorgung) oder eine Einphasen-Stromversorgung,
unterstützt durch Kondensatoren oder Induktivitäten, die eine Phasenverschiebung erreichen.
Der Fokus dieses Buchs liegt auf Drehstrommotoren, insbesondere auf Asynchronmotoren, da
sich die Anforderungen für den Betrieb mit Frequenzumrichtern in Anwendungen mit Antrieben
mit Drehzahlregelung für verschiedene Motortypen aus dieser Motortechnologie herleiten
lassen. Gleichstrommotoren werden nicht weiter behandelt.
1.2.4 Elektromagnetische Induktion
Bei den meisten Elektromotoren erfolgt die Krafterzeugung über eine Interaktion von
Magnetfeldern und stromdurchlossenen Leitern. Das ist der umgekehrte Vorgang der
Erzeugung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie durch einen Generator
(z. B. durch einen Wechselstromgenerator oder ein Fahrraddynamo).
a) Generatorprinzip, Induktion durch Bewegung
Wenn eine Kraft (F) auf einen Leiter einwirkt und ihn durch ein Magnetfeld (B) bewegt, wird eine
Spannung induziert. Wenn der Leiter Teil eines geschlossenen Stromkreises ist, ließt Strom (I),
siehe Abb. 1.3 „Prinzip der elektromagnetischen Induktion".
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