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dreipoliger Synchronmotor

wie DrehstromMotoren funktionieren

Der Drehstrom aus der Steckdose ist ein dreiphasiger Wechselstrom. Er entsteht im Generator, wenn der Rotor in drei um 120° versetzten Wicklungen drei Spannungen erzeugt. In den drei Wicklungen eines angeschlossenen Motors entsteht ein magnetisches Feld, das demjenigen im Generator entspricht und einen Rotor zum Drehen bringt.

In der nebenstehenden Animation ist der Stator dreipolig. In seinen Wicklungen erzeugt ein Drehstrom das Drehfeld. Der Rotor folgt diesem Drehfeld, die blauen Pfeile veranschaulichen die auf ihn wirkenden magnetischen Kräfte. Im Bild ist der Rotor mit einer Spule gezeichnet, hier kann aber auch ein PermanentMagnet Verwendung finden.

Der Name Drehstrom beschreibt unmittelbar diese Zusammenhänge, das magnetische Feld wird denn auch Drehfeld genannt. Über dieses Drehfeld ist der Rotor im Motor mit demjenigen im Generator fest verknüpft, beide haben dieselbe Drehzahl. Diese Drehzahl ist fest, denn die Frequenz im Netz ist immer 50Hz. Hier finden Sie eine Animation, welche diese Zusammenhänge sehr schön zeigt. Siehe auch Wikipedia

Will man die Drehzahl eines Drehstrommotors verändern, muss man die Frequenz der Versorgungsspannung ändern. Der Motor lässt sich so vom Stillstand bis zur Maximaldrehzahl regulieren. Drehstrom veränderlicher Frequenz wird mit Frequenzumrichtern oder Invertern erzeugt, solche Geräte können mit Gleich- oder Wechselstrom gespeist werden.

drei weitverbreitete Arten von Drehfeldmotoren


Sychronmotor aus Bandgerät

der SynchronMotor

Hier ist der Rotor mit Permanentmagneten oder - bei grossen Leistungen - mit einem über Schleifringe versorgten Spulenmagneten ausgerüstet. Der Rotor folgt dem Drehfeld unmittelbar, die Umdrehungszahl ist - innerhalb der Leistungsrenzen - immer der Frequenz proportional. Der Synchronmotor ist also überall da der ideale Antrieb, wo eine bestimmte Drehzahl genau eingehalten werden muss: Transportanlagen, Walzstrassen, Papiermaschinen, aber auch in CD- und DVD-Laufwerken: Die Drehzahl ist genau so stabil wie die Frequenz der Versorgungsspannung.

Für den mechanischen Aufbau gibt es zwei Alternativen:

  • Innenläufer, Inrunner tragen ihre Wicklungen auf dem festehenden äusseren Ring
    die Permanentmagnete sind auf dem sich drehenden inneren Teil montiert
    dieser Motor erreicht sehr hohe Drehzahlen;
  • Aussenläufer Outrunner tragen ihre Wicklungen auf dem festehenden inneren Teil
    die Permanentmagnete sind auf dem äusseren sich drehenden Ring montiert
    dieser Motor liefert ein höheres Drehmoment, dreht aber langsamer.

Synchronmotoren sind bürstenlose Drehstrommotoren, sie werden mit Wechselstrom betrieben
im englischen Sprachraum finden Sie jedoch häufig den Ausdruck Brushless DC-Motors, also bürstenlosen GleichstromMotoren
solche Motoren gibt es nicht, der Ausdruck ist falsch: Gleichstrommotoren haben immer Bürsten

Vor- und Nachteile des SynchronAntriebs aus gartenbahnerischer Sicht
Vorteile

  • die Drehzahl ist im Rahmen der Motorspezifikationen auch unter Last fest mit der Frequenz verknüpft
    der Motor beschleunigt und bremst problemlos und folgt dabei dem Regler am Umrichter: Sie haben Ihr Modell in der Hand
  • SynchronMotoren haben keine Bürsten, ausser den Lagern also keine Verschleissteile
  • der Wirkungsgrad ist höher als beim GleichstromMotor, denn die Kommutierung erfolgt elektronisch

Nachteile

  • Rekuperation ist nicht möglich
  • das Angebot für den Flugmodellbau ist heute sehr reichhaltig und preiswert, es eigent sich aber kaum für die Gartenbahn:
    die Motoren für den Flumodellbau haben sehr hohe Drehzahlen, sie brauchen kein Getriebe, der Propeller wird direkt auf die Motorachse montiert
    als Energiespeicher werden im Flugmodellbau Lithium-Ionen Akkus verwendet, Umrichter und Motoren sind darauf abgestimmt
  • für unsere Gartenbahn geeignete Inverter und Motoren sind Industrieprodukte und darum teuer
    eine Quelle öffnet aber sich seit kurzem: Solarautos, E-Bikes, Golf-Caddies, Rollstühle und ähnliches. siehe auch Wikipedia

der SchrittMotor

Er ist eine Abart des Synchronmotors: Die Wicklungen im Stator können so angesteuert werden, dass der Rotor schrittweise weiterdreht und in jeder Stellung blockiert ist. Der Drehwinkel entspricht genau der Zahl der Impulse, jede Lage des Rotors kann also genau reproduziert werden. Schrittmotoren bewegen in Festplatten und FloppyLaufwerken die Schreib-/Leseköpfe, im Tintenstrahldrucker den Schlitten mit dem Druckkopf, in NC-Fräsmaschinen den Frästisch und so weiter. Sie werden nicht als Traktionsmotoren eingesetzt und sind hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

der AsynchronMotor

Auch er ist eine Abart des Synchronmotors: Sein Rotor besteht aus einer kurzgeschlossenen Wicklung, daher auch der Name Kurzschlussläufer. Seine Drehzahl ist zwar mit der Frequenz des Drehfelds verknüpft, jedoch immer etwas kleiner als diese: Der Rotor hat Schlupf, er läuft dem Drehfeld hinterher. Unter Belastung wird der Schlupf grösser, bei Überlast steht der Rotor still und verglüht. Der AsynchronMotor ist sehr einfach aufgebaut, robust und langlebig. Man findet ihn im Haushalt und in der Industrie in verschiedenen Ausführungen und in allen Grössen, er ist ein echter Allzweckmotor und wohl der meistgebaute Elektromotor. In den Ausführungen für 3x400V Drehstrom vom Netz und Leistungen ab 1PS sind AsynchronMotoren sehr billig.

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Tinguely-Brunnen Basel

Wenn Sie Tinguelys kinetische Kunst zum Modellbau zählen: Seine Maschinen werden von AsynchronMotoren in Bewegung gehalten. Die Motoren sind im Vergleich zu Gleichstrom- oder SynchronMotoren sehr gross und schwer und eignen sich wohl nur für den monumentalen Modellbau. Will man eine veränderliche Drehzahl, ist ein teurer Inverter nötig. Für GartenBahnen grösserer Spurweite sollte man aber darüber nachdenken - ein schwerer Motor erhöht schliesslich das Reibungsgewicht...

In Industrie und Haushalt sind Drehstromantriebe weit verbreitet, es gibt sie in allen Leistungsbereichen und sie sollten darum auch bei der GartenBahn einsetzbar sein. Das Probleme ist praktischer Natur: die Anlagen laufen normalerweise am Netz, also mit 230V-Einphasen- oder 400V-Dreiphasenstrom - unsere Energiequelle sind aber Akkus von 12...48V Gleichstrom; Inverter für diesen Anwendungsbereich gibt es meines Wissens aber nicht.

In GartenBahnen gibt es einen einzigen Artikel zum Thema, der auch einen kurzen Überblick über den Elektro-Antrieb gibt: SCHERZ, Christian: Elektroantriebe für Gartenbahn-Lokomotiven in 1/2006. Beschrieben wird eine Kombination von einem Benzinaggregat 230V mit einem Inverter 0...400Hz und einem 3x230V-Asynchronmotor. Eine elegante Lösung! Leider enthält der Artikel keine Angaben zu den Kosten.

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