Motor

Funktionsweise eines 4-Takt-Dieselmotors

Ein Motor wandelt eine Energieform in eine andere um zur Verrichtung mechanischer Arbeit. Dabei handelt es sich bei der Ausgangsenergie um chemische, thermische, pneumatische, elektrische oder hydraulische Energie welche in eine Bewegungsenergie umgewandelt wird. In der Regel ragt dabei eine Welle aus dem Motor und gibt eine Drehbewegung aus. Ausnahmen sind zum Beispiel Linearmotoren. Das Wort Motor ist lateinisch und bedeutet Beweger.

In diesem Artikel soll zunächst ein Überblick über elektrische Motoren und Verbrennungsmotoren geschaffen werden.

Allgemeine Wirkungsweise

Bei Motoren wird eine Eingangsenergie P(ein) in eine mechanische Energie P(mech) umgewandelt. Durch Verluste bei der Energieumwandlung geht ein Teil der Energie dabei verloren. Diese Energie verschwindet allerdings nicht einfach, was nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) auch gar nicht möglich ist. Diese Energie dissipiert durch Reibung und thermische Verluste bei der Verbrennung fossiler Energieträger. Von Dissipation spricht man in der Physik und Chemie demnach von jener Energie welche durch Verluste dem eigentlichen Zweck der Umwandlung verloren geht.

Elektromotor

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Durch die Lorentzkraft (Abstoßung von Magnetfeldern mit unterschiedlicher Polung und Anziehung bei gleicher Polung) und den Elektromagnetismus kann der E-Motor seine Drehbewegung realisieren. Für den Maschinen- und Anlagebau sind dabei als Antrieb vor allem Drehfeldmotoren von Relevanz. In dem Leistungsbereich von 100 - 100.000 Watt haben diese den Gleichstrommotor fast vollständig verdrängt. Permanenterregte Gleichstrommotoren, EC-Motoren und Schrittmotoren werden für kleinere Leistungsklassen eingesetzt und sind daher für diesen Artikel zweitrangig. Vorrangig sollen hingegen die Drehstrommotoren behandelt werden.

Drehstrommotoren lassen sich in 2 Kategorien einteilen:

• Standard-Drehstrommotoren

und

• Servomotoren.

Standard-Drehstrommotor

Drehstrommotoren werden mit einem 3-Phasen-Wechselstrom betrieben. In den drei voneinander getrennten (isolierten) Leitern wird damit eine oszillierende Spannung induziert, die gegenüber den anderen beiden Leitern um je 120° versetzt ist. Mit jedem der 3 Leiter wird dann je eine Elektromagnet-Spulen gespeist. Deren Magnetfeld entspricht dann temporär der Spannung des jeweiligen Leiters. In einem Kreis angeordnet, daher die relativen Winkel von 120° (3*120°=360°), ergibt sich daraus dann letztendlich ein kumuliertes Magnetfeld. Dieses ist zwar gleichbleibender Größe, ändert allerdings in der Frequenz der Spannungsamplitude seine Polarität. Mit einem Frequenzumrichter lassen sich somit Drehzahlen eines Drehstrommotors stufenlos einstellen (vergleiche elektrisches Getriebe). Beispiel bei einem einer Taktung von 25 Herz (25 Periodenwechsel pro Sekunde) ergibt sich eine Drehzahl von 1500 U/min.

Drehstrommotoren lassen sich noch weiter unterteilen in:

• Synchronmotoren

- der Läufer rotiert immer synchron mit dem Drehfeld

- Läufer unterscheiden sich in Vollpol-, Schenkelpolläufer und permanent magnetisch

• Asynchronmotoren

- der Stromleiter wird über den Läufer kurzgeschlossen

- Läufer unterscheiden sich in Schleifring- und Käfigläufer

Die Spulenwicklungen, sowohl des Rotors als auch des Ständers, werden zur Steigerung der Effizienz in einen Eisenkern gebettet. Die Permeabilität des Eisens sorgt für eine Vervielfachung des Magnetflusses und damit einhergehend des Drehmomentes. Für die praktische Ausführung werden die Eisenkernquerschnitte stets aus dünnem und isoliertem Dynamoblech gestanzt und zum kompakten Kern zusammengesetzt. Das geschieht, um (wie beim Transformator) im Eisenkern auftretende Wirbelströme und die durch sie bedingten Verluste abzuschwächen. Die Wicklungsnuten im Rotoreisenkern von Asynchronmotoren werden in der Fertigung der Einfachheit halber mit Aluminium so ausgegossen, dass am äußeren Umfang des Eisenkerns ein elektrisch kurzgeschlossener Aluminium-Leiterkäfig entsteht. Bei diesem Gießvorgang werden meist auch gleich Kühllüfterflügel mit angegossen.

Servomotor

Der Servomotor besitzt eine Sonderstellung bei den Elektromotoren. Er erlaubt die Kontrolle über Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung, sowie über die Winkelposition der Motorwelle. Sie bestehen aus einem Elektromotor, der zusätzlich mit einem Sensor zur Positionsbestimmung ausgestattet ist. Die vom Sensor ermittelte Drehposition der Motorwelle wird kontinuierlich an eine meist außerhalb des eigentlichen Motors angebrachte Regelelektronik übermittelt, den so genannten Servoregler, der die Bewegung des Motors entsprechend einem oder mehreren einstellbaren Sollwerten in einem Regelkreis regelt.

Die Kombination aus Regler und Motor nennt sich vereinigt Servoantrieb. Diese werden immer in einem geschlossenen Regelkreis betrieben. Zum genauen Erfassen der Rotorposition ist jeder Servomotor mit einer Messeinrichtung versehen, welche die aktuelle Position (z. B. den zurückgelegten Drehwinkel bezüglich einer Anfangsposition) des Motors bestimmt. Diese Messung erfolgt über einen Drehgeber, z. B. über einen Resolver, einen Inkrementalgeber oder einen Absolutwertgeber.

Die elektronische Regelung vergleicht das Signal dieses Gebers mit einem vorgegebenen Positions-Sollwert. Liegt eine Abweichung vor, so wird der Motor in diejenige Richtung gedreht, die einen geringeren Verfahrweg zum Sollwert sicherstellt. Dies führt dazu, dass sich die Abweichung verringert. Die Prozedur wiederholt sich solange, bis der aktuelle Wert inkrementell oder via Approximation innerhalb der Toleranzgrenzen des Sollwerts liegt. Dies ist der einfachste Fall, die Positionsregelung. Alternativ können über dieses Prinzip auch Drehmoment und Geschwindigkeit geregelt werden. Dadurch sind zum Beispiel gleichmäßige Fahrprofile bei schwankenden Lasten möglich.

Servomotoren besitzen eine Vielzahl von Anwendungsfeldern. Sie werden häufig in industriellen Anlagen verwendet, aber auch in diversen Maschinen, etwa in Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen oder Industrierobotern. Servomotoren findet man auch in Servos, wie sie etwa im Modellbau in ferngesteuerten Fahrzeug-, Flug- oder Schiffsmodellen eingesetzt werden. In einem Servo können jedoch auch andere Motortypen verbaut sein. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden jedoch der „Servo“ und der „Servomotor“ miteinander verwechselt.

Aufgrund ihrer höheren Zuverlässigkeit im Vergleich zu Drehspulinstrumenten werden Servomotoren auch in Anzeigegeräten des Flugwesens und des Militärs eingesetzt.

Für den Anschluss sowie für die Integration in Prozessrechnerperipherien werden Servomotoren auch in Modulen mit Feldbusschnittstellen angeboten. Derartige Module werden bereits seit Jahren mit der Feldbusschnittstelle CANopen nach Kommunikationsprofil DS 301 und Geräteprofil DSP 402 offeriert. Sie sind dazu bestimmt, für die Automatisierung als Kompaktantriebe zu fungieren. (Funktionsbausteine, die einer Soft-SPS im Prozessrechner nachgeschaltet werden, übernehmen in solchen Fällen die Regelung der Motoren.) DC-Servomotoren werden unter anderem auch mit dem Profibus DP Interface nach dem PROFIdrive-Profil ausgestattet. Solche Motoren stehen mit Abgabeleistungen von etwa 40 bis 500 W zur Verfügung. Sie decken damit ausschließlich den Kleinleistungsbereich ab.

Verbrennungsmotor

Verbrennungsmotoren sind Kraftmaschinen, die mechanische Energie aus chemischer Energie wandeln. Patentrechtlich spricht man aus historischen Gründen bei Verbrennungsmotoren von Brennkraftmaschinen. Verbrennungsmotoren spielen vor allem bei Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen eine große Rolle. Auch wenn sie heutzutage teilweise in Verruf geraten sind, sind sie dennoch mittelfristig unverzichtbar. Ihr großer Nachteil besteht darin, dass sie Abgase produzieren, die aufwändig gefiltert werden müssen und sie den größten Teil der chemischen Energie in Wärme umwandeln. Man spricht hier auch von Dissipation. Selbst bei modernen Verbrennungsmotoren liegt die Rate der mechanisch gewonnen Energie nur bei ca. 36-39 %. Aufgrund der Verfügbarkeit und des verhältnismäßig leichten Transportes und der Speicherung beziehungsweise Lagerung von fossilen Brennstoffen wird, wie bereits oben aufgeführt, trotzdem mittelfristig kein Verzicht möglich sein.

Verbrennungsmotoren bestehen grundlegend aus folgenden Baugruppen: Motorblock, Zylinderkopf, Kurbelwelle, Pleuel, Kolben und Zylinder, Kraftstoffversorgung, Kühlung, Ventilen und Nockenwelle, sowie Schmierung.

Die Funktion lässt sich in 4 Takte einteilen: Ansaugen, Verdichten, Verbrennen (auch Arbeiten genannt) und Ausstoßen. Je nach Motor werden die Takte hintereinander oder 2 Takte parallel in jeweils einer halben Kurbelwellenumdrehung ausgeführt. Bei der nacheinander erfolgen Ausführung laufen die Takte wie in der oben aufgeführten Reihenfolge ab und spricht man von 4-Taktmotoren. Das bedeutet, dass für einen vollständigen Durchlauf aller Takte eines Zylinders 2 Umdrehungen der Kurbelwelle nötig sind. Damit der Motor ruhiger und gleichmäßiger läuft werden die unterschiedlichen Zylinder unterschiedlich getaktet. Bei der parallelen Ausführung werden das Ansaugen und das Arbeiten, sowie das Verdichten und Ausstoßen jeweils parallel verrichtet und man spricht von 2-Taktmotoren. Damit ist nur eine Umdrehung der Kurbelwelle für das Ablaufen aller Takte notwendig und auch Motoren mit einem Zylinder sind sinnvoll.

Die bekannteste Einteilung von Verbrennungsmotoren ist die in Diesel- und Benzinmotoren, auch Ottomotor (nach seinem Erfinder) genannt:

Dieselmotor

Ein Dieselmotor ist ein Selbstzünder. Das bedeutet, dass sich das Luft-Gas-Gemisch bei hohem Druck von selbst, ohne Zündhilfe, entzündet. Die Verdichtungsdrücke im Zylinder müssen dafür recht hoch sein und liegen je nach Motor bei durchschnittlich 2.000 bar. Bei Dieselmotoren wird der Kraftstoff über Einspritzdüsen, auch Injektoren genannt, direkt in den Zylinder oder indirekt in eine Vor- beziehungsweise Nebenkammer eingespritzt. Dabei wird er durch hohe Einspritzdrücke von bis zu 3000 bar sehr fein zerstäubt. Erreicht werden diese Drücke mit dem Common-Rail-System, welches heute bei vielen Motoren üblich ist. Dabei wird in zwei Schritten der Kraftstoff auf 2000 bis 4000 bar gebracht und in einem Druckspeicher gespeichert. Elektrisch gesteuerte Injektoren, meist Piezzo-Injektoren, regeln dann die Einspritzung. Das Einspritzen erfolgt dabei kurz vor Ende oder zu Ende des Verdichten (am höchsten Punkt des Kolbens oder kurz davor). Die für die Verbrennung nötige Luft wird im ersten Takt, dem Ansaugen, über das Einlassventil eingezogen. Die Luft wird oft zuvor mit einem Turbolader leicht auf Überdruck gebracht. Hauptgrund hierfür ist die Leistungssteigerung. Um Problemen mit Stickoxiden entgegenzuwirken gibt es bei Dieselmotoren verschiedene Maßnahmen, wie Partikelfilter, AGR (Abgasrückführung) oder AGN (Abgasnachbehandlung).

Bei Dieselmotoren sind Drehzahlen von bis zu 4000 U/min üblich und drehen sich damit im Schnitt wesentlich langsamer als Benziner. Desweiteren sind die meisten Dieselmotoren 4-Takter. Lediglich extrem große Schiffsmotoren kommen als 2-Takter vor. Obwohl diese zwar meist Schweröl verbrennen sind sie fast baugleich mit Dieselmotoren.

Benzinmotor

Ein Benzinmotor, auch Ottomotor genannt, ist ein Fremdzünder. Das bedeutet, dass sich das Luft-Gas-Gemisch nicht selber entzündet und einen Fremdzünder benötigt. Diesen nennt man Zündkerze. Anders als beim Dieselmotor wird in einem Vergaser der Kraftstoff in der Luft zerstäubt. Dieses Gemisch wird dann über das Einlassventil in den Kolben gezogen. Sehr selten zu finden sind Benziner als Direkteinspritzer. Da sie kaum vorkommen, wird daher hier auch nicht darauf eingegangen. An dem gleichem Punkt wie beim Diesel, also kurz vor Ende des Verdichten, wird dann mit einem Funken aus der Zündkerze das komprimierte Gemisch entzündet. Zwar sind Benziner nicht großartig abgasärmer als Dieselmotoren, allerdings sind die entstehenden Abgase weniger gesundheits- und klimaschädlicher. Aus diesem Grund müssen die Abgase auch nicht so aufwendig nachbehandelt werden.

Bei Benzinmotoren sind Drehzahlen von bis 30.000 U/min möglich, womit sie wesentlich schneller drehen als Dieselmotoren. Desweiteren hängt die Ausführung als 2 oder 4-Takter stark von dem Einsatzgebiet ab. Bei größeren Motoren werden häufig 4-Takter eingesetzt. Bei kleineren Ausführungen, wie bei Motorsägen, kommen fast ausschließlich 2-Takter zum Einsatz. Das liegt daran, dass 2-Takter auch gut als 1-Zylindermaschine ausgelegt werden können und das Fehlen der Ölwanne Platz spart. Das Öl zur Schmierung des Motors wird dem Benzin beigemischt. Ja nach Motor mit einem Verhältnis von 1:25, 1:50 oder 1:75.

Weiterführende Suche

• Suche in der IndustryArena nach Motor

Literatur und Quellen

• Antriebslösungen - ‎Mechatronik‎ für Produktion und Logistik, Edwin Kiel, 2007, Springer Verlag, ISBN 978-3-540-73425-3