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2) Das Drehmoment von Elektromotoren
Um aus der Anordnung in Bild 2 (siehe oben) einen Elektromotor zu machen,
muß diese so verändert werden, daß sich aus der kurzen
geradlinigen Bewegung eine kontinuierliche Drehbewegung ergibt. Schließlich
ist die Anordnung so zu optimieren, daß sie mit einem möglichst
hohen Wirkungsgrad arbeitet.
Der erste Schritt ist in Bild 3 dargestellt: Ein in einem Magnetfeld
drehbar gelagerter Zylinder ist mit einer stromdurchflossenen Drahtschleife
umwickelt. Nach dem zu Bild 2 angegebenen Gesetz wirkt auf das obere,
auf dem Zylindermantel befindliche Leiterstück, in dem der Strom
nach vorne fließt, eine nach rechts gerichtete Kraft, die den Zylinder
rechtsherum zu drehen versucht, auf das entsprechende untere Leiterstück,
in dem der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt, wirkt
eine nach links gerichtete Kraft, die den Zylinder ebenfalls rechtsherum
zu drehen versucht. Es entsteht ein sogenanntes Drehmoment (Kraft x Hebelarm,
der Hebelarm ist der Radius des Zylinders d/2), das den Zylinder in Drehbewegung
versetzt. Diese Drehbewegung käme allerdings spätestens nach
einer halben Umdrehung zum Stehen, wenn nicht die Stromrichtung in der
Stromschleife durch einen auf der Drehachse sitzenden Kommutator (Kollektor)
und zwei auf diesem schleifende Kohlebürsten (siehe Bild 3a)
im richtigen Moment umgepolt würde.
Allgemein entsprechen die physikalischen Größen Kraft und Geschwindigkeit
bei einer geradlinigen Bewegung den Größen Drehmoment bzw.
Winkelgeschwindigkeit (= Drehzahl x 2 x "Pi") bei einer Drehbewegung.
(Anmerkung: Für manche mathematischen und physikalischen Größen
haben sich griechische Buchstaben fest eingebürgert. Da diese möglicherweise
nicht auf allen Rechnern installiert oder von allen Browsern angezeigt
werden, verwende ich für die griechischen Buchstaben deren Namen,
nämlich "Pi" für die Kreiszahl 3.14... , "Phi"
(der griechische Buchstabe ist ein O mit einem senkrechten Strich dadurch)
für den magnetischen Fluß und "my" für die Permeabilität)
Den endgültigen Aufbau des Motors zeigt
schematisch Bild 4. Die einzelne Drahtschleife von Bild 3 ist (wie
schon in Bild 3a) zu einer Spule erweitert, der drehbare Anker aus lamelliertem
Eisenblech ist dreipolig und trägt drei in Nuten eingelassene Spulen.
Die Spulen sind dem Wicklungssinn folgend untereinander verbunden und
die Verbindungsstellen an die Kollektorlamellen herausgeführt. Das
ist die einfachste Anordnung, um einen einigermaßen gleichmäßigen
Rundlauf zu erzielen. Der Stator besteht aus zwei Permanentmagneten (mit
N und S bezeichnet), die mit Polschuhen versehen sind und durch ein äußeres
Joch miteinander verbunden sind. Der von den Magneten erzeugte magnetische
Fluß "Phi" bildet, Anker und Stator durchsetzend, einen
geschlossenen Kreis.
Anmerkung: Der magnetische Fluß "Phi" ist eine
dem magnetischen Feld H und der magnetischen Induktion B entsprechende
Größe und wird durch Flußlinien (wie das Magnetfeld durch
Feldlinien) dargestellt. Vier dieser magnetischen Flußlinien deuten
im Bild deren allgemeinen, immer geschlossenen Verlauf durch Anker und
Stator an. Näheres hierzu siehe weiter unten.
Mit etwas Überlegungs- und Umrechnungsaufwand
erhält man aus Gleichung 2 (siehe oben) für die Größe
des Drehmomentes Mi (der Index i soll anzeigen, daß Verluste im
Motor noch nicht berücksichtigt sind. Mi wird auch als "inneres"
Drehmoment bezeichnet)
(Glg.3)
Hierein bedeuten I der Ankerstrom, "Phi"
der magnetische Fluß, p die Polzahl, N die Windungszahl einer Ankerspule.
p und N werden zu einer Motorkonstanten zusammengefaßt. Diese Gleichung
besagt, daß je höher das vom Motor geforderte Drehmoment (z.B.
aufgrund der Anhängelast am Zughaken der Lokomotive) ist, desto höher
dessen Stromaufnahme (bei einer bestimmten, festen am Motor liegenden
Fahrspannung) ist, daß aber die Stromaufnahme umso kleiner ist,
je größer der von den Magneten erzeugte magnetische Fluß
ist. Der bessere Motor ist also der mit dem größeren magnetischen
Fluß, d.h. im allgemeinen der mit den stärkeren Magneten, da
dessen Stromaufnahme (und damit auch dessen Leistungsverbrauch) bei gleicher
Last am geringsten ist.
Anmerkung: Hierzu folgende Meßwerte
an Miniclub-Z-Motoren.
An drei dreipoligen Motoren des gleichen Typs habe ich bei etwa gleicher
Leerlaufdrehzahl folgende Stromaufnahme bei 3,5 Volt Betriebsspannung
gemessen:
Motor mit starkem Magnet: Stromaufnahme 60 Milliampere,
Motor mit mittelstarkem Magnet: Stromaufnahme 100 Milliampere,
Motor mit schwachem Magnet: Stromaufnahme 130 Milliampere.
Die Qualität (Magnetstärke) der Magnete dieser Motoren ist offensichtlich
sehr unterschiedlich. Man kann dies qualitativ leicht feststellen, indem
man den Anker von Hand dreht und dabei fühlt, wie stark der Anker
in den sechs Einrast-Stellungen festgehalten wird (siehe hierzu auch weiter
unten zur "Polfühligkeit".). Je stärker der Magnet,
desto stärker rastet der Anker ein.
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