Elektrische Kleinmaschinen: Eine Einführung

230 Pages·1987·5.851 MB·German

by  Dr.-Ing. Hans-Dieter Stölting, Dr.-Ing. Achim Beisse (auth.)

Teubner Studienbucher
ElektrotechniklMaschinenbau
Eckhardt: GrundzOge der elektrlschen Maschlnen. OM 34,
Elsner: Nachrlchtentheorle
Band 1: Grundlagen. OM 18,80
Band 2: Oer Obertragungskanal. OM 18,80
Heinlein: Grundlagen der faHropUachen Obertragungatechnlk. OM 29,80
Heumann: Grundlagen der Lelstungaelektronlk. 3. Aufl. OM 36,-
Klein: Finite Systemtheorle. OM 26,80
Lautz: Elektromagnetlache Felder. 3. Aufl. OM 29,80
Leonhard: Regelung In der elektrlachen Antrlebstechnlk. OM 32,
Leonhard: Regelung In der elektrlachen Energlevereorgung. OM 32,
Leonhard: Slatlstlsche Analyse IInearer Ragelaysteme. OM 29,80
Matthies: ElnfUhrung In die Olhydraullk. OM 34,-
Michel: Zweltor-Analyae mit Lelstungawellen. OM 28,80
Profos: ElnfUhrung In die Systemdynamlk. OM 32,-
Profos: MeBfehler. OM 28,80
Schaufelberger: Echtzelt-Programmlerung bel Automallalerunglaystemen. OM 29,80
Stolting/Beisse: Elektrlache Klelnmaechlnen. OM 38,-
PhysiklChemle
Becher/Bohm/Joos: Elchtheorlen der atarken und elektroschwachen Wechaelwlrkung.
2. Autl. OM 38,-
Bourne/Kendall: Vektoranalyala. OM 24,80
Oaniel: aeschleunlger. OM 26,80
Eischenbroich/Saizer: Organometallchemle. OM 42,
Engelke: Aufbau der MolekOle. OM 38,
Goetzberger/Wittwer: Sonnenenergle. OM 24,80
Gross/Runge: Vleltellchentheorle. OM 38,-
GroBer: Elnfiihrung In die TelichenopUk. OM 23,80
GroBmann: Mathematlacher ElnfOhrungakure fOr die Phyalk. 4. Aufl. OM 32,
Heil/Kitzka: Grundkure Theoretllche Mechanlk. OM 39,-
Heinloth: Energle. OM 39,80
Kamke/Kramer: PhYllkaliache Grundlagen der MaSelnhelten. OM 21,80
Kleinknecht: Detektoren fOr Tellchenatrahlung. 2. Aufl. OM 28,80
Kneubuhl: RepeUtorlum der Physik. 2. Aufl. OM 44,-
Kopitzki: ElnfOhrung In die Featk6rperphyalk. OM 34,-
Kunze: PhYllkalilche MeBmethoden. OM 24,80
Fortsetzung auf der letzten Textseite
Elektrische
Kleinmaschinen
Eine EinfOhrung
Von Dr.-Ing. Hans-Dieter Stalting
Professor an der Universitiit Hannover
und Dr.-Ing. Achim Beisse
Akad. Rat an der Universitat Stuttgart
Mit 233 Bildern
m
B. G. Teubner Stuttgart 1987
Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Sto1ting
1938 in Oldenburg i. O. geboren. 1959 bis 1966 Studium der E1ektrotechnik an der
Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen und an der Universitat Stutt
gart. 1966 Wissenschaftlicher Angestellter bzw. Assistent am Institut fUr E1ektrische
Maschinen und Antriebe der Universitat Stuttgart. 1974 Fa. Siemens AG, Wiirzburg,
Entwicklung von K1einmaschinen. 1977 Oberingenieur an der Universitat Stuttgart.
Seit 1980 Professor am Institut fUr E1ektrische Maschinen und Antriebe der Universitat
Hannover, Lehrgebiet E1ektrische K1einmaschinen.
Dr.-Ing. Achim Beisse
1945 in Goppingen geboren. 1965 bis 1970 Studium der E1ektrotechnik an der Univer
sitat Stuttgart. 1970 Wissenschaftlicher Assistent an der Universitiit Stuttgart. 1977
Fa. Bauknecht, Stuttgart, Leiter der Berechnungsabteilung. Seit 1980 Akademischer Rat
an der Universitiit Stuttgart.
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Stolting, Hant-Dieter:
Elektrische Kleinnlaschinen : e. Einf. I
von Hans-Dieter Stolting u. Achim Beisse. -
Stuttgart: Teubner, 1987
(Teubner-8tudienbiicher : Elektrotechnik)
NE: Beisse, Achim:
Das Werk einschlief.\lich alIer seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt.lede Verwertung au&rhalb
der engen Grenzeft des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzuliissig und straf
bar. Das gilt besonders flir Vervielfiltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspei
cherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
ISBN 978-3-519-06321-6 ISBN 978-3-663-01104-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01104-0
Ie B. G. Teubner Stuttgart 1987
Satz: Elsner & Behrens GmbH, Oftersheim
UmschlaggestaItung: M. Koch, Reutlingen
Vorwort
Wlihrend in den letzten Jahren zahlreiche BUcher iiber elektrische Maschinen mittlerer
oder grol.\er Leistung erschienen sind, wurden nur wenige Fachbiicher, die sich mit elek
trischen Kleinmaschinen befassen, herausgegeben. Dabei nimmt die wirtschaftliche
Bedeutung der elektrischen Kleinmaschinen stlindig zu. Ihre Einsatzmoglichkeiten in
Industrie, Werkstatt und Haushalt sind in den letzten Jahren rasch gewachsen und wer
den auch in Zukunft weiter ansteigen. Die Entwicklung der Elektronik (billigere, kom
paktere und flexiblere Schaltungen) und der Werkstoffe (z. B. hochwertigere Magnet-und
Isolier-Werkstoffe) sowie neue Konstruktionsprinzipien machen es moglich, motorisch
angetriebene Gerlite zu entwickeln, die dem Menschen immer mehr Tlitigkeiten erleich
tern oder gar ganz abnehmen. Die Anforderungen, die dabei an die Motoren gestellt wer
den, sind mittlerweile so unterschiedlich, dal.\ es heute eine fast uniiberschaubare Vielfalt
von Bauformen gibt.
Die anhaltende Suche nach dem optimalen Antrieb, die immer wieder neue Impulse
durch die technische Entwicklung und die steigenden AnsprUche an die Moglichkeiten
eines Gerlites erhlilt, hat zur Folge, dal.\ die Antriebskonzepte einem steten Wandel unter
worfen sind. FUr den Hersteller wie fUr den Anwender elektrischer Kleinmaschinen ist
es daher notwendig, nicht nur die Eigenschaften, wie zum Beispiel die Vor-und Nach
teile einer Motorenart zu kennen, sondern auch deren physikalische Ursachen zu durch
schauen, urn sie gezielt nutzen bzw. mindern oder unterdriicken zu konnen.
Der Einblick in die prinzipielle Wirkungsweise der verschiedenen Kleinmaschinentypen
ist oft schwieriger, ihre elektromagnetische Berechnung vielfach aufwendiger als bei
grol.\en Maschinen. Bei Kleinmaschinen werden zudem hliufig physikalische und kon
struktive Prinzipien angewendet, die im Grol.\maschinenbau nicht Ublich sind. Ihr Auf
bau ist oft unsymmetrisch, die Kompensation unerwiinschter Erscheinungen aus techni
schen oder Kostengriinden nicht moglich. Sonst Ubliche Nliherungen bei der Berechnung
sind wegen der geringen geometrischen Abmessungen nicht zullissig. Die Aysniitzung der
Motoren infolge des geringen Einbauvolumens oder infolge von Gewichtsbeschrlinkungen
wird immer hoher getrieben. Hinzu kommt, dal.\ bei elektronischer Speisung, die fUr
immer mehr Motortypen angewendet wird, Wechselspannungen nicht l11ehr sinusfOrmig
und Gleichspannungen nicht mehr zeitlich konstant sind. Herkommliche Verfahren zur
Ermittlung des Betriebsverhaltens sind dadurch hliufig nicht mehr anwendbar oder
durch den Einsatz von Rechenmaschinen iiberholt.
Das vorliegende Buch basiert auf einer langjlihrigen Lehrtlitigkeit und auf Erfahrungen
aus der Praxis. Es solI Studenten an Universitliten und Fachhochschulen als eine Ein
flihrung in das Gebiet der elektrischen Kleinmaschinen dienen und den in der Praxis
tlitigen Technikern und Ingenieuren bei der Bewliltigung der geschilderten Probleme
hilfreich sein. Vorausgesetzt werden allgemeine Grundkenntnisse der Wirkungsweise
und des Betriebsverhaltens elektrischer Maschinen.
Dieses Buch solI helfen, eine Liicke zu schliel.\en, denn in der deutschsprachigen Fach
literatur gibt es zur Zeit kein Buch, das in einheitlicher Darstellung in die Wirkungsweise
und das Betriebsverhalten elektrischer Kleinmaschinen einftihrt. Altere Biicher sind ver-
4 Vorwort
griffen oder entsprechen nicht mehr dem Stand der Technik. Neuere Blicher befassen
sich fast ausschlie~lich mit dem Betriebsverhalten, ohne nliher auf die physikalischen
Hintergriinde einzugehen. Ausnahmen sind wenige Einzeldarstellungen bestimmter
Kleinmaschinen-Typen.
Es wird das ganze Gebiet der Kleinmaschinen behandelt, wobei aIlerdings Motoren, die
sehr selten oder wieder vom Markt verschwunden sind, nicht beriicksichtigt wurden.
Der Aufbau der einzelnen Motorarten, ihre Vor-und Nachteile und ihre Haupteinsatz
gebiete werden dargestellt. Die Herleitung der Grundgleichungen, die zur Untersuchung
des Betriebsverhaltens dienen, und die Beschreibung des prinzipiellen Vorgehens bei der
Berechnung der Maschinen bilden den inhaltllchen Schwerpunkt des Buches. Auf aIle
Einzelheiten kann dabei nicht eingegangen werden, weil das den Rahmen des Buches
sprengen wiirde. Mit Hilfe der vermittelten Kenntnisse ist es aber mog1ich, sich selbstan
dig in die weiterflihrende Fachliteratur einzuarbeiten und das fehlende Wissen anzueig
nen, um z. B. magnetische Kreise, Widerstiinde oder Induktivitiiten berechnen zu kon
nen.
Wir mochten nicht unerwiihnt lassen, daB wir aus Vorlesungen unseres Lehrers, Herro
Prof. Biissing, einige Anregungen libemommen haben. Herm Dipl.-Ing. Georg Moller
danken wir fUr die kritische Durchsicht des Manuskriptes und fUr seine Verbesserungs
vorschliige, insbesondere zum Abschnitt liber den Wechselstrom-Synchronmotor, Herm
Dipl.-Ing. Jiirgen Lebsanft fUr seine Diskussionsbereitschaft und fUr seine Ratschliige.
Dem Teubner-Verlag danken wir fUr die Miihe und Sorgfalt bei der Erstellung dieses
Buches.
Hannover, Stuttgart, im Dezember 1986 Hans-Dieter Stolting, Achim Beisse
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Allgemeines 9
1.2 Geschichte 10
1.3 Wirtschaftliche Bedeutung 11
2 WecbseIstrom-Asynchronmotor
2.0 Einleitung 12
2.1 Aufbau 12
2.2 Ausflihrungsarten 14
2.2.1 Allgemeines. 14
2.2.2 Einstriingiger Motor 15
2.2.3 Zweistriingige Motoren 18
2.2.3.1 Kondensator-Motor. 2.2.3.2 Widerstandshilfsstrang-
Motor. 2.2.3.3 Motor mit induktivem Reihenwiderstand.
2.2.3.4 Motor mit kurzgeschlossenem Hilfsstrang
2.2.4 Dreistriingige Motoren . . . . . . . . . . . . 20
2.2.5 Wicklungsausflihrungen. . . . . . . . . . . . 20
2.2.5.1 Symmetrische Wicklungen. 2.2.5.2 Quasisymmetrische
Wicklungen. 2.2.5.3 Unsymmetrische Wicklungen
2.3 Drehfelder in Wechselstrom-Asynchronmaschinen 22
2.3.1 Allgemeines. . . . 22
2.3.2 Elliptische Drehfelder . . . . . . . 24
2.3.3 Symmetrischer Betrieb . . . . . . . 26
2.3.3.1 Zweistriingiger Motor. 2.3.3.2 Dreistriingiger Motor.
2.3.3.3 Zusammenfassung
2.4 Grundgleichungen fUr Strome und Spannungen 36
2.4.1 Dreistriingiger Motor. . . . 36
2.4.2 Zweistriingiger Motor 43
2.5 Motor mit verteilter Stiinderwicklung 45
2.5.1 Grundwellenverhalten 45
2.5.1.1 Leitwertortskurve. 2.5.1.2 Zweistriingiger Motor mit
symmetrischer oder quasisymmetrischer Wicklung. 2.5.1.3 Zwei
striingiger Motor mit unsymmetrischer Wicklung. 2.5.1.4 Drei
striingiger Motor mit symmetrischer Wicklung
2.5.2 Asynchrone Oberfeldmomente . . . . . . . . . 64
2.5.3 Anpassung an Antriebsforderungen . . . . . . . . 70
2.5.3.1 Hochlauf. 2.5.3.2 Drehrichtungsumkehr. 2.5.3.3 Dreh
zahlstellung. 2.5.3.4 Drehzahlregelung. 2.5.3.5 Spannungsum
schaltung
6 Inhaltsverzeichnis
2.6 Motor mit konzentrierter Stlinderwicklung . 75
2.6.1 Motor mit zweistrlingiger Stlinderwicklung 75
2.6.2 Spaltpolmotor. . . . . . . . . . 76
2.6.2.1 Ausflihrungsarten. 2.6.2.2 Wirkungsweise.2.6.2.3 Be
triebsverhalten. 2.6.2.4 Anpassung an Antriebsforderungen
2.6.3 Motor mit einstrlingiger Stlinderwicklung . . . . . . .. 83
3 Wechselstrom-8ynchronmotor
3.0 Einleitung 84
3.1 Reluktanzmotor 84
3.1.1 Wirkungsweise 84
3.1.2 Ausflihrungsarten 85
3.1.2.1 Laufer mit ausgefrasten Polen. 3.1.2.2 Laufer mit
Flu&perren
3.1.3. Stationiires Betriebsverhalten . . . . . . . . . . 86
3.1.3.1 Synchronbetrieb. 3.1.3.2 Asynchroner Hochlauf
3.2 Hysteresemotor. . . . . . . . . . 90
3.2.1 Ausflihrungsarten. . . . . . . 90
3.2.2 Wirkungsweise und Betriebsverhalten 91
3.3 Magnetliiufermotor . . . . . 95
3.3.1 Ausflihrungsarten. . . . . . . 95
3.3.2 Stationiires Betriebsverhalten . . . 96
3.3.2.1 Synchronbetrieb. 3.3.2.2 Asynchroner Hochlauf
4 Universalmotor
4.0 Einleitung 106
4.1 Autbau 106
4.2 Wirkungsweise 111
4.3 Induzierte Spannungen 113
4.3.1 Vberblick 113
4.3.2 Rotatorisch und transformatorisch induzierte Ankerspannung 114
4.3.2.1 Rotatorisch induzierte Ankerspannung. 4.3.2.2 Trans
formatorisch induzierte Ankerspannung. 4.3.2.3 Induzierte
Spannungen bei Verschiebung der BUrsten aus der neutralenAchse
4.4 Kommutierung. . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4.1 Stromwendespannung . . . . . . . . . . 123
4.4.2 In der kurzgeschlossenen Spule rotatorisch induzierte
Spannung . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.3 In der kurzgeschlossenen Spule transformatorisch induzierte
Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4.4 Zusammenwirken der drei in der kurzgeschlossenen Spule
induzierten Spannungen. . . . . . . . . . . . 128
Inhaltsverzeichnis 7
4.5 Betriebsverhalten . . 130
4.5.1 Ersatzschaltbild 131
4.5.2 Zeigerdiagramm 131
4.5.3 Leistungsbilanz 132
4.6 Drehzahlstellung und Drehzahlregelung . 134
4.6.1 GleichstroIDZusatzwicklung 134
4.6.2 Wicklungsanzapfung 135
4.6.3 Vorwiderstand. . 135
4.6.4 Transformator. . 135
4.6.5 Parallelwiderstand. 136
4.6.6 Barkhausenschaltung. 136
4.6.7 Phasenanschnittsteuerung 136
4.6.8 Drehzahlregelung 138
5 Permanentmagnetmotor
5.0 Einleitung 139
5.1 Ausflihrungsarten 139
5.2 Magnete . . . 141
5.2.1 Werkstoffe 141
5.2.2 Magnetisierungskennlinie 142
5.3 Magnetischer Kreis eines Permanentmagnetmotors 143
5.3.1 Grundgleichungen. . . . . . . . . 143
5.3.2 EinfluS der Siittigung . . . . . . . 147
5.3.3 Ersatzschaltung des dauermagnetischen Kreises 149
5.3.4 Ankerquerfeld. . . . . 150
5.3.5 PolfluS . . . . . . . 155
5.3.6 Streuung des Dauermagneten 156
5.3.7 Stabilitiit des Dauermagneten 157
5.4 Betriebsverhalten . . . . . . 158
5.4.1 Auslegung des magnetischen Kreises . 158
5.4.2 Ersatzschaltbild, Kennlinien und Leistungsbilanz 159
5.5 Permanentmagnetmotor an einem Pulssteller . . 161
5.6 Permanentmagnetmotor am Wechselspannungsnetz 163
5.6.1 Ungegliitteter Motorstrom . . . 165
5.6.2 Vollstiindig gegliitteter Motorstrom . 166
5.7 Dreibiirstenmotor . . . . . . . . . 167
5.8 Gleichstrommotoren mit eisenlosem Laufer 169
5.8.1 Scheibenliiufermotor. 169
5.8.2 Glockenliiufermotor. . . . . . 171
6 Elektronikmotor
6.0 Einleitung ..... 172
6.1 Grundsiitzliche Wirkungsweise 172
8 Inhaltsverzeichnis
6.2 Ausflihrungsarten . . . . . . . . 173
6.2.1 Einstrangiger, einpulsiger Motor . 174
6.2.2 Zweistrangiger, zweipulsiger Motor 175
6.2.3 Dreistrangiger, dreipulsiger Motor 176
6.2.4 Vierstriingiger, vierpulsiger Motor 177
6.2.4.1 900 -Schaltung. 6.2.4.2 1800 -Schaltung
6.2.5 Sonderausflihrungen 186
6.3 Betriebsverhalten 187
6.4 Drehzahlregelung 188
7 Schrittmotoren
7.0 Einleitung 189
7.1 Ausflihrungsarten . 190
7.1.1 Aligemeines. 190
7.1.2 Wechselpol-Typ 194
7.1.3 Gleichpol-Typ . 195
7.1.4 Sonstige Ausflihrungen 197
7.2 Ansteuerung. . . . 199
7.3 Diimpfung . . . . . . 202
7.4 Kenndaten, Kennlinien . . 202
7.4.1 Statische Momentenkennlinie 203
7.4.2 Dynarnische Momentenkennlinie . 204
7.4.3 Schrittwinkelfehler 206
7.5 Betriebsverhalten . . . 207
7.5.1 Spannungsgleichung 209
7.5.2 Momentengleichung 211
7.5.3 Dynamisches Verhalten 212
7.5.4 Statisches Verhalten 213
F onnelzeichen 214
Literatur 218
Sachverzeichnis 224
1 Einleitung
1.1 Allgemeines
Elektrische Maschinen pflegt man in drei Klassen einzuteilen, niimlich in Maschinen
gro~er, mittlerer und kleiner Leistung. Diese Klassen, die sich au&r durch die Leistung
auch durch b e son d ere E i g ens c h aft en, A u s f ti h run gsa r ten ,
u n d Fer t i gun g s ve r fa h r end e r Mas chi n e n auszeichnen, sind nicht
eindeutig gegeneinander abgegrenzt, sondern gehen flie&nd ineinander tiber. Die obere
Grenze von Kleinmaschinen nimmt man gewohniich bei einer abgegebenen Leistung von
ungeflihr 1 kW an. 1m englischen Sprachraum nennt man sie "Fractional Horsepower
Motors", ziihltzuihnen also Maschinen bis etwa 750 Watt.
Kennzeichnender als die Leistung sind fUr Kleinmaschinen folgende t y pis c h e
Merkmale:
In tiberwiegendem M~e handelt es sich urn Mot 0 r e n z u mAn t r i e b von
G era ten, die z u den V e r bra u c h s g ti t ern z a hie n. Daher mu~ ihre
Herstellung moglichst kostengUnstig sein. Da sich dies vor allem durch eine optimale
Fer t i gun g erreichen l~t, erfolgt der elektromagnetische Entwurf und die kon·
struktive Gestaltung insbesondere im Hinblick auf das jeweils gUnstigste Fertigungsver
fahren. Die Fertigung von Kleinmaschinen hat he ute einen hohen Automatisierungsgrad
erreicht und erfolgt in Gro~serien, die mehrere hunderttausend oder Millionen Sttick pro
Jahr umfassen konnen. Dadurch gelang es, den Motorpreis tiber viele Jahrzehnte prak
tisch stabil zu halten und in vielen Fallen sogar zu senken.
Daroit ein Gerat moglichst geringe Fertigungskosten verursacht, ti be r n e h men
Bauteile oftmals gleichzeitig Motor- und Geratefunkti
one n. So ist zum Beispiel in einer Waschmaschine das eine Lagerschild des Laugen
pumpenmotors gleichzeitig ein Gehauseteil der Pumpe. In anderen Fallen bietet es sich
an, die Motoren in die Arbeitsgerate vollstandig zu integrieren (Bohrmaschine; Ltifter
mit Au~enlaufermotor, Bild 2.3). Dadurch la~t sich auf1erdem ein Gerat kompakt und
leicht bauen, was bei tragbaren Geraten ohnehin gefordert wird. Kleinmotoren sind mei
stens S p e z i a I mot 0 r en, die fUr eine bestimmte Antriebsaufgabe hergestellt wer
den. Es gibt sie daher in zahllosen Ausflihrungsformen und nur selten direkt ab Lager zu
beziehen.
Einer kostengUnstigen Fertigung widerspricht im allgemeinen ein moglichst geringer
Materialverbrauch. Daher kommt dem Wi r k u n g s g r a d nicht die Bedeutung zu,
die er bei gro&ren Maschinen besitzt. Dazu besteht auch aus wirtschaftlicher Sicht kein
Anreiz, denn der Anteil der Kleinmotoren an der Energieumsetzung eines Haushaltes
betragt erheblich weniger als 10%, selbst wenn man das Auto als Energiewandler nicht
miteinbezieht. Eine allgemeine Verbesserung des Wirkungsgrades der Kleinmotoren, die
ohnehin nur urn wenige Prozent moglich und zudem mit einem erhohten Energie-Einsatz
bei der Fertigung verbunden ware, wtirde sich daher kaum auswirken. Nur in besonderen
Fallen gibt es Motoren mit einem moglichst hohen Wirkungsgrad. Das gilt zum Beispiel