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Der Elektromotor

Compressed Air Wiki Basic Theory Electricity

Um Luft in Druckluft umzuwandeln, wird Energie benötigt. Diese wird in Form von Strom bereitgestellt, der von einem Elektromotor erzeugt wird. Der häufigste Elektromotor ist der Dreiphasen-Käfigläuferinduktionsmotor. Dieser Motortyp wird in allen Industriezweigen eingesetzt. Er ist leise und zuverlässig und ist daher ein Bestandteil der meisten Systeme, einschließlich Kompressoren.

Was sind die Hauptbestandteile eines Elektromotors?

Elektromotor

Der Elektromotor besteht aus zwei Hauptkomponenten, dem stationären Stator und dem sich drehenden Rotor. Der Stator erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, und der Rotor wandelt diese Energie in Bewegung um, d. h. in mechanische Energie. Der Stator ist mit dem Drehstromnetz verbunden. Der Strom in den Statorwicklungen erzeugt ein rotierendes magnetischen Kraftfeld, das Ströme im Rotor induziert und somit auch dort ein Magnetfeld erzeugt. Die Interaktion zwischen dem Stator- und dem Rotor-Magnetfeld erzeugt ein Drehmoment, wodurch sich die Rotorwelle dreht.

Drehzahl

Formel, synchrone Drehzahl in U/min, Motornetzfrequenz und Anzahl der Pole pro Phase

Wenn sich die Induktionsmotorwelle mit der gleichen Drehzahl wie das Magnetfeld drehen würde, wäre der induzierte Strom im Rotor Null. Aufgrund verschiedener Verluste, z. B. in den Lagern, ist dies allerdings nicht möglich, und die Drehzahl liegt immer ca. 1 – 5 % niedriger als die mit dem Magnetfeld synchrone Drehzahl (dies wird als „Schlupf“ bezeichnet). (Permanentmagnetmotoren erzeugen überhaupt keinen Schlupf.)

Effizienz

Formel für die Effizienz bei der Energieumwandlung, Nennleistung und Wellenleistung in W, angewandte elektrische Leistung in Watt

Die Energieumwandlung in einem Motor erfolgt nicht verlustfrei. Die Verluste sind unter anderem auf ohmsche Verluste, Lüftungsverluste, Magnetisierungsverluste und Reibungsverluste zurückzuführen.

Isolierstoffklasse

Der Isolierstoff in den Motorwicklungen wird in Isolierstoffklassen gemäß der Norm IEC 60085 unterteilt, die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission veröffentlicht wurde. Jede Klasse wird durch einen Buchstaben für die Temperatur, die die Obergrenze für den Anwendungsbereich der Isolierung darstellt, gekennzeichnet. Wenn der obere Grenzwert um 10 °C über einen längeren Zeitraum überschritten wird, wird die Lebensdauer der Isolierung um etwa die Hälfte verkürzt.

Isolierstoffklasse

B

F

H

Max. Wicklungstemp. °C

130

155

180

Umgebungstemperatur °C

40

40

40

Temperaturanstieg °C

80

105

125

Thermischer Sicherheitsabstand °C

10

10

15

Schutzklassen

Schutzklassen gemäß IEC 60034-5 geben an, wie der Motor gegen Kontakt und Wasser geschützt ist. Die Schutzklassen werden mit den Buchstaben IP und zwei Ziffern angegeben. Die erste Ziffer steht für den Schutz gegen Kontakt und Penetration durch ein Festobjekt. Die zweite Ziffer gibt den Schutz gegen Wasser an.

Beispielsweise steht IP23 für: (2) Schutz gegen Festkörper mit einer Größe von mehr als 12 mm, (3) Schutz gegen direktes Sprühwasser bis 60° aus vertikaler Richtung. IP54: (5) Schutz gegen Staub, (4) Schutz gegen Sprühwasser aus allen Richtungen. IP55: (5) Schutz gegen Staub, (5) Schutz gegen Strahlwasser mit niedrigem Druck aus allen Richtungen.

Kühlmethoden

Die Kühlmethoden gemäß IEC 60034-6 geben an, wie der Motor gekühlt wird. Dies wird durch die Buchstaben IC gekennzeichnet, gefolgt von einer Reihe von Ziffern für den Kühltyp (unbelüftet, eigenbelüftet, Zwangskühlung) und den Kühlmodus (Innenkühlung, Oberflächenkühlung, Umlaufkühlung, Flüssigkeitskühlung usw.).

Installationsmethode

Installationsmethode

Die Installationsmethode gemäß IEC 60034-7 gibt an, wie der Motor installiert werden soll. Sie wird durch die Buchstaben IM und vier Ziffern angegeben. IM 1001 steht beispielsweise für: zwei Lager, eine Welle mit einem freien Zapfenende, und ein Statorgehäuse mit Füßen. IM 3001: zwei Lager, eine Welle mit einem freien Zapfenende, ein Statorgehäuse ohne Füße, und ein großer Flansch mit einfachen Befestigungsbohrungen.

Die Installationsmethode gemäß IEC 60034-7 gibt an, wie der Motor installiert werden soll. Sie wird durch die Buchstaben IM und vier Ziffern angegeben. IM 1001 steht beispielsweise für: zwei Lager, eine Welle mit einem freien Zapfenende, und ein Statorgehäuse mit Füßen. IM 3001: zwei Lager, eine Welle mit einem freien Zapfenende, ein Statorgehäuse ohne Füße, und ein großer Flansch mit einfachen Befestigungsbohrungen.

Was ist eine Stern- und eine Dreieckschaltung?

Ein Dreiphasen-Elektromotor kann auf zwei Arten angeschlossen werden: als Sternschaltung (Y) oder als Dreieckschaltung (Δ). Die Wicklungsphasen bei einem Dreiphasenmotor sind mit U, V und W gekennzeichnet (U1-U2; V1-V2; W1-W2). Die Standards in den USA beziehen sich auf T1, T2, T3, T4, T5, T6. Bei der Sternschaltung (Y) werden die „Enden“ der Motorwicklungsphasen zu einem Nullpunkt miteinander verbunden. Dies sieht aus wie ein Stern (Y).

Eine Phasenspannung (Phasenspannung = Netzspannung/√3; zum Beispiel 400 V = 690/√3) liegt an den Wicklungen an. Der Strom Ih in Richtung des Nullpunkts entspricht damit einem Phasenstrom, und entsprechend fließt ein Phasenstrom If = Ih durch die Wicklungen. Bei der Dreieckschaltung (Δ) sind die Anfänge und Enden der verschiedenen Phasen miteinander verbunden, die dann ein Dreieck (Δ) bilden. Dadurch liegt eine Hauptspannung an den Wicklungen an. Der Strom Ih in den Motor entspricht dem Hauptstrom. Dieser wird zwischen den Wicklungen aufgeteilt und ergibt einen Phasenstrom von Ih/√3 = If.

Der gleiche Motor kann mit einer 690-V-Sternschaltung oder einer 400-V-Dreieckschaltung angeschlossen werden. In beiden Fällen beträgt die Spannung an den Wicklungen 400 V. Der Strom zum Motor ist bei einer 690-V-Sternschaltung niedriger als bei einer 400-V-Dreieckschaltung. Das Verhältnis zwischen den Stromwerten beträgt √3. Auf dem Typenschild des Motors kann beispielsweise 690/400 V angegeben sein. Dies bedeutet, dass die Sternschaltung für die höhere Spannung und die Dreieckschaltung für die niedrigere Spannung ausgelegt ist. Der Strom, der ebenfalls auf dem Typenschild angegeben werden kann, zeigt den niedrigeren Wert für den mit Sternschaltung angeschlossenen Motor und den höheren Wert für den mit Dreieckschaltung angeschlossenen Motor.

Was ist das Drehmoment?

Das Drehmoment eines Elektromotors ist ein Ausdruck der Rotordrehkapazität. Jeder Motor hat ein maximales Drehmoment. Eine Last oberhalb dieses Drehmoments bedeutet, dass der Motor sich nicht drehen kann. Bei normalen Last arbeitet der Motor deutlich unter dem maximalen Drehmoment, die Startsequenz erfordert jedoch eine zusätzliche Last. Die Eigenschaften des Motors sind in der Regel in einer Drehmomentkurve dargestellt.

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