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Funktionsweise von Elektromotoren und Generatoren

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Elektrofahrzeuge sind ausschließlich auf Elektromotoren für den Antrieb angewiesen, und Hybride setzen Elektromotoren ein, um ihre Verbrennungsmotoren bei der Fortbewegung zu unterstützen. Aber das ist nicht alles. Diese Motoren können und werden verwendet, um Elektrizität (durch regeneratives Bremsen) zum Laden der Bordbatterien dieser Fahrzeuge zu erzeugen.

Die häufigste Frage lautet: "Wie kann das sein ... wie funktioniert das?" Die meisten Leute verstehen, dass ein Motor für die Arbeit mit Elektrizität betrieben wird - sie sehen es jeden Tag in ihren Haushaltsgeräten (Waschmaschinen, Staubsauger, Küchenmaschinen).

Aber die Vorstellung, dass ein Motor "rückwärts laufen" kann und tatsächlich Strom erzeugt, anstatt ihn zu verbrauchen, scheint fast wie Zauberei. Aber sobald die Beziehung zwischen Magneten und Elektrizität (Elektromagnetismus) und dem Konzept der Energieerhaltung verstanden ist, verschwindet das Rätsel.

Elektromagnetismus

Motorleistung und Elektrizitätserzeugung beginnen mit der Eigenschaft des Elektromagnetismus - der physikalischen Beziehung zwischen einem Magneten und Elektrizität. Ein Elektromagnet ist ein Gerät, das sich wie ein Magnet verhält, aber seine Magnetkraft wird durch Elektrizität manifestiert und gesteuert.

Wenn sich ein Draht aus leitendem Material (zum Beispiel Kupfer) durch ein Magnetfeld bewegt, wird im Draht Strom erzeugt (ein rudimentärer Generator). Wenn umgekehrt Elektrizität durch einen Draht geleitet wird, der um einen Eisenkern gewickelt ist, und dieser Kern in Gegenwart eines Magnetfelds ist, wird er sich bewegen und verdrehen (ein sehr grundlegender Motor).

Motor / Generatoren

Motor / Generatoren sind wirklich ein Gerät, das in zwei entgegengesetzten Modi betrieben werden kann. Im Gegensatz zu dem, was die Leute manchmal denken, heißt das nicht, dass die beiden Modi des Motors / Generators voneinander abgehen (dass sich das Gerät als Motor in eine Richtung dreht und als Generator in die entgegengesetzte Richtung).

Die Welle dreht sich immer gleich. Der "Richtungswechsel" liegt im Stromfluss. Als Motor verbraucht er Elektrizität (fließt ein), um mechanische Energie zu erzeugen, und als Generator verbraucht er mechanische Energie, um Elektrizität zu erzeugen (fließt aus).

Elektromechanische Rotation

Bei Elektromotoren / Generatoren handelt es sich im Allgemeinen um zwei Typen, entweder Wechselstrom (Wechselstrom) oder Gleichstrom (Gleichstrom). Diese Bezeichnungen geben die Art des Stroms an, den sie verbrauchen und erzeugen.

Ohne zu sehr ins Detail zu gehen und das Thema zu trüben, ist dies der Unterschied: Wechselstrom ändert die Richtung (wechselt), während er durch einen Stromkreis fließt. Gleichströme fließen unidirektional (bleiben gleich), während sie einen Stromkreis durchlaufen.

Die Art des verwendeten Stroms hängt hauptsächlich von den Kosten des Geräts und seinem Wirkungsgrad ab (Ein Wechselstrommotor / Generator ist im Allgemeinen teurer, aber auch viel effizienter). Es genügt zu sagen, dass die meisten Hybriden und viele größere Vollelektrofahrzeuge Wechselstrommotoren / Generatoren verwenden - auf diese Art werden wir uns in dieser Erklärung konzentrieren.

Ein Wechselstrommotor / Generator besteht aus 4 Hauptteilen:

  • Auf einer Welle montierter drahtgewickelter Anker (Rotor)
  • Ein Magnetfeld, das nebeneinander in einem Gehäuse (Stator) gestapelte elektrische Energie induziert
  • Schleifringe, die den Wechselstrom zum / vom Anker leiten
  • Bürsten, die die Schleifringe berühren und Strom zum / vom Stromkreis übertragen

Der AC Generator in Aktion

Der Anker wird von einer mechanischen Energiequelle angetrieben (zum Beispiel wäre es bei der kommerziellen Stromerzeugung eine Dampfturbine). Während sich dieser gewickelte Rotor dreht, läuft seine Drahtspule über die Permanentmagnete im Stator, und in den Drähten des Ankers wird elektrischer Strom erzeugt.

Da jedoch jede einzelne Schleife in der Spule zuerst den Nordpol und dann den Südpol jedes Magneten nacheinander passiert, während er sich um seine Achse dreht, ändert der induzierte Strom kontinuierlich und schnell die Richtung. Jede Richtungsänderung wird als Zyklus bezeichnet und in Zyklen pro Sekunde oder Hertz (Hz) gemessen.

In den Vereinigten Staaten beträgt die Taktrate 60 Hz (60-mal pro Sekunde), während sie in den meisten anderen entwickelten Teilen der Welt 50 Hz beträgt. An jedem der beiden Enden der Drahtschleife des Rotors sind einzelne Schleifringe angebracht, um einen Pfad für den Strom bereitzustellen, der den Anker verlässt. Bürsten (die eigentlich Kohlenstoffkontakte sind) laufen gegen die Schleifringe und vervollständigen den Pfad für den Strom in den Stromkreis, an den der Generator angeschlossen ist.

Der Wechselstrommotor in Aktion

Die Motorwirkung (Zufuhr von mechanischer Leistung) ist im Wesentlichen die Umkehrung der Generatorwirkung. Anstatt den Anker zu drehen, um Elektrizität zu erzeugen, wird Strom von einem Stromkreis durch die Bürsten und Schleifringe in den Anker eingespeist. Dieser durch den Spulenrotor (Anker) fließende Strom verwandelt ihn in einen Elektromagneten. Die Permanentmagnete im Stator stoßen diese elektromagnetische Kraft ab, wodurch sich der Anker dreht. Solange Strom durch den Stromkreis fließt, läuft der Motor.