Die vorliegende Arbeit beinhaltet neben einer kurzen Einführung in die geschichtliche Entwicklung von Elektromotoren und Betrachtungen elektrotechnischer und physikalischer Grundlagen einen Vergleich von Verbrennungsmotoren und Elektromotoren. Darüber hinaus werden Anforderungen an und Betriebsarten von Elektromotoren erläutert. Im Mittelpunkt der Arbeit liegen Behandlungen ausgewählter Elektromotoren in Bezug auf Aufbau, Wirkweise und Leistungsbereich. Die Arbeit schließt ab mit einem Fazit, in dem Vor- und Nachteile der erwähnten Motorarten und weitere Entwicklungen betrachtet werden.
Hinsichtlich von Einsparmöglichkeiten seitens des Stromverbrauchs haben Elektromotoreneine tragende Rolle inne. Ohne hinreichende Maßnahmen wird bis 2030 annähernd eine Verdopplung des weltweiten Stromverbrauchs mittels Elektromotoren angenommen.
Elektromotoren sind weltweit für ungefähr 40 Prozent des gesamten Stromverbrauchs und für ca. 70 Prozent des in der Industrie entstehenden Stromverbrauchs verantwortlich.
Deutschlandweit liegt der Stromverbrauch durch Elektromotoren bei etwa 55 Prozent, in der Industrie beträgt der Anteil 68 Prozent, der tertiäre Sektor hat einen Anteil von 48 Prozent und der Anteil der privaten Haushalte erreicht eine Höhe von 41 Prozent. Ungefähr 96 Prozent der in Europa veräußerten Elektromotoren werden mittels ein- oder mehrphasigen Wechselstrom genutzt, aus diesem Grund liegt auf ihnen der Schwerpunkt der in Kapitel 7 erfolgenden Betrachtungen.
Der Autor zeigt mit Verweis auf den begrenzten Umfang der zu erstellenden Arbeit in Verbindung mit der Komplexität der Thematik auf, das insbesondere auf die Herleitung, die bloße Nennung und die Verallgemeinerung von Formeln und Formelbestandteilen verzichtet wird.
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort
2 Geschichtliche Entwicklung
3 Physikalische und elektrotechnische Grundlagen
4 Vergleich Verbrennungsmotor/ Elektromotor
5 Anforderungen an einen Elektromotor im Automobil
5.1 Beständigkeit gegenüber Öl
5.2 Beständigkeit gegenüber Wasser
6 Betriebsarten eines Elektromotors
6.1 Motorbetrieb
6.2 Generatorbetrieb
7 Aufbau und Funktionsweise von Elektromotoren
7.1 Allgemein
7.2 Gleichstrommotor
7.2.1 Aufbau und Wirkweise eines Gleichstrommotors
7.2.2 Leistungsbereich des Gleichstrommotors
7.3 Wechselstrommotor (1-Phasen-Wechselstrom)
7.3.1 Wechselstrom-Synchronmotor
7.3.2 Wechselstrom-Asynchronmotor
7.4 Drehstrommotor (3-Phasen-Wechselstrom)
7.4.1 Drehstrom-Synchronmotor
7.4.1.1 Aufbau und Wirkweise eines Drehstrom-Synchronmotors
7.4.1.2 Leistungsbereich des Drehstrom-Synchronmotors
7.4.2 Drehstrom-Asynchronmotor
7.4.2.1 Aufbau und Wirkweise eines Drehstrom-Asynchronmotors
7.4.2.2 Leistungsbereich des Drehstrom-Asynchronmotors
7.4.3 Reluktanzmotor
7.5 Linearmotor
8 Fazit
Zielsetzung und Themenfelder
Die vorliegende Belegarbeit zielt darauf ab, einen fundierten Überblick über Elektromotoren als Antriebstechnik zu geben, ihre physikalischen sowie elektrotechnischen Grundlagen zu erläutern und sie im Kontext der Automobilindustrie mit Verbrennungsmotoren zu vergleichen. Die Arbeit untersucht dabei insbesondere die verschiedenen Motortypen hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Wirkweise und ihrer Leistungsbereiche.
- Historische Entwicklung elektrischer Antriebssysteme
- Physikalische Grundlagen der Elektrodynamik und Induktion
- Vergleichende Analyse zwischen Verbrennungs- und Elektromotoren
- Anforderungen an elektrische Antriebskomponenten im Kraftfahrzeug
- Detaillierte Typologie von Elektromotoren (Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom, Reluktanz, Linear)
Auszug aus dem Buch
7.2.1 Aufbau und Wirkweise eines Gleichstrommotors
Der Gleichstrommotor besteht in seinem Aufbau aus Rotor und Stator. Der Stator besteht aus einem massiven Stahlring und besitzt ausgeprägte Pole - Hauptpole und Wendepole - welche zum hohen Volumen und Gewicht des Motors wesentlich beitragen. Auf diesen Polen sind jeweils Erregerwicklungen angebracht, bei kleineren Gleichstrommotoren ein Permanentmagnet. Der Rotor ist aus gegeneinander isolierten Blechen, die Ankerwicklungen sind in deren Nuten untergebracht. Am Rotor ist der Stromwender (auch als Kommutator bezeichnet) angebracht. Der Kommutator dreht sich mit dem Rotor und ist mit den Drahtenden der Ankerwicklung verbunden. In der grundlegenden Ausführung besteht dieser aus einem Schleifring. Der Schleifring wird unterteilt in zwei gegeneinander isolierte Segmente, auf ihm befinden sich Bürsten. Die Bürsten schleifen auf dem Rotor und erzeugen eine elektrische Verbindung zwischen Stator und Rotor.
Im Stator geschieht eine Magnetfelderzeugung, über den Luftspalt durchdringt dieses den Rotor. Durch die Bürsten wird die Ankerwicklung im Rotor mit Gleichstrom versorgt. Auf die stromdurchflossenen Ankerwicklungen wirkt die Lorentzkraft, dadurch wird ein Drehmoment erzeugt und es kommt zur Drehung des Rotors. Nach einer Drehung des Rotors in der eingezeichneten Richtung um 90° kommt es zur Aufhebung der gegenseitigen Kräfte. Zur Wahrung eines stetigen Drehmoments werden die beiden Kraftrichtungen mittels einer Änderung der Stromrichtung in der Ankerwicklung umgekehrt. Die Änderung der Stromrichtung in den Ankerwicklungen erfolgt dadurch, dass die Bürsten auf dem Kommutator derart angeordnet sind, das sie nach jeder halben Drehung des Kommutators auf die jeweils andere Hälfte wechseln.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Vorwort: Einführende Darstellung der Relevanz von Elektromotoren für den globalen Stromverbrauch und Zielsetzung der Arbeit.
2 Geschichtliche Entwicklung: Rückblick auf die Erfindungen von Volta, Oersted, Faraday, Jacobi und anderen Pionieren der Elektrotechnik.
3 Physikalische und elektrotechnische Grundlagen: Erklärung der zentralen Gesetze der Elektrodynamik, insbesondere des Induktionsgesetzes und der Lorentzkraft.
4 Vergleich Verbrennungsmotor/ Elektromotor: Gegenüberstellung der Antriebskonzepte hinsichtlich Wartung, Wirkungsgrad, Energiedichte und Emissionen.
5 Anforderungen an einen Elektromotor im Automobil: Analyse der notwendigen Schutzmaßnahmen gegen Umwelteinflüsse wie Öl und Wasser im Fahrzeugbetrieb.
6 Betriebsarten eines Elektromotors: Erläuterung der Funktionen im Motorbetrieb zur Energiewandlung und im Generatorbetrieb für die Rekuperation.
7 Aufbau und Funktionsweise von Elektromotoren: Detaillierte technische Betrachtung verschiedener Motortypen von der Gleichstrommaschine bis zum Linearmotor.
8 Fazit: Zusammenfassende Bewertung der verschiedenen Motortypen und Ausblick auf zukünftige Entwicklungen im Bereich der Effizienz.
Schlüsselwörter
Elektromotor, Drehstrom-Asynchronmotor, Drehstrom-Synchronmotor, Gleichstrommotor, Reluktanzmotor, Linearmotor, Elektrodynamik, Wirkungsgrad, Lorentzkraft, Induktion, Hybridfahrzeug, Antriebsstrang, Kommutator, Energieeffizienz, Energiewandlung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit den Grundlagen, Funktionsweisen und Einsatzmöglichkeiten von Elektromotoren, insbesondere im Kontext von Kraftfahrzeugantrieben.
Was sind die zentralen Themenfelder der Abhandlung?
Die Themen umfassen die Geschichte der Elektromotoren, die physikalischen Grundlagen der Elektrodynamik, den Vergleich zum Verbrennungsmotor und eine detaillierte technische Analyse verschiedener Motortypen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, die technischen Eigenschaften und die Eignung verschiedener Elektromotoren für moderne Antriebskonzepte verständlich darzulegen.
Welche wissenschaftliche Methode verwendet der Autor?
Die Arbeit ist als theoretische Literaturarbeit angelegt, die technisches Fachwissen aus einschlägigen wissenschaftlichen Quellen zusammenführt und vergleicht.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden Anforderungen an Motoren im Automobil, die verschiedenen Betriebsarten (Motor/Generator) sowie Aufbau und Wirkungsweise von Gleich-, Wechsel-, Drehstrom-, Reluktanz- und Linearmotoren detailliert erläutert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich vor allem über Begriffe wie Elektromotor, Drehstromantrieb, Wirkungsgrad, Elektrodynamik und Antriebstechnik definieren.
Welche Rolle spielt die Beständigkeit gegenüber Öl und Wasser?
Diese Faktoren sind entscheidend für die Integration von Elektromotoren in Fahrzeugantriebe, da sie die Lebensdauer und Fehlersicherheit des Systems maßgeblich beeinflussen.
Warum wird der Drehstrom-Asynchronmotor als bedeutsam eingestuft?
Aufgrund seiner Robustheit, der einfachen Konstruktion und der guten Skalierbarkeit stellt er einen der am häufigsten genutzten Motortypen in der Industrie und im Bereich der E-Mobilität dar.
Welchen Nachteil haben permanenterregte Synchronmotoren?
Der Autor führt hierbei insbesondere die hohen Beschaffungskosten für Seltene-Erden-Magnete sowie die Gefahr der Entmagnetisierung bei zu hohen Temperaturen an.
- Citation du texte
- Michael Gräbner (Auteur), 2015, Elektromotoren. Geschichte, Aufbau, Wirkweise und Leistungsbereich, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/311474
