Motor-/Generatoraufsatz mit Kollektor Generatoraufsatz mit Schleifringen

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1 Elektrik Lehrwerkstätten und Berufsschule Zeughausstrasse 56 für Mechanik und Elektronik Tel CH-8400 Winterthur Fax Motor-/Generatoraufsatz mit Kollektor Generatoraufsatz mit Schleifringen PA9470 PA9475 PA9475.mit Kollektor für Gleichstrom-Motor; - Generator mit Schleifringen als Wechselstromgenerator Zwei bewährte Motor- und Generatoraufsätze für Schülerversuche. Die übersichtliche, 2-polige Konstruktion gewährleistet Durchblick, lässt die Funktionen von Motor und Generator leicht erkennen und erleben. Die Statoren (unbeweglicher Teil) der beiden Aufsätze sind baugleich. Die Rotoren (drehender Teil) können vom Lehrer einfach ausgewechselt werden. Der Gleichstrom - Rotor ist mit einem zweigeteilten Kollektor, der Wechselstrom - Rotor mit zwei Schleifringen ausgerüstet. Die Rotoren sind auch einzeln erhältlich. Für den Betrieb werden die Aufsätze auf einen U-Magneten (PA7021) oder auf einen U-Eisenkern (PA9441) mit Spule aufgesetzt. Die entsprechende Stator-Stirnfläche ist flach geschliffen und erlaubt die Verwendung verschiedenster Magnete oder Magnetsysteme. Separate Rotoren zur Instruktion oder als Umbau-Teil von PA9470 auf PA9475: PA9471 Rotor mit Kollektor PA9476 Rotor mit Schleifringen ZT0202.DOC 09/03 MEM1

2 Technische Daten A) für PA9470 (für Gleichstrom-Motor /- Generator) Grundplatte mit Lager: Stator: Rotor: Bürstenhalter: Gewicht (inkl. 1 Rotor): Abmessungen: Ausgangsspannung im Generatorbetrieb: Betriebsspannung als Motor: Lieferumfang: Aluminium B H T= mm Statorhälften, geblätterter Eisenkern 15mm hoch, eine Stirnfläche geschliffen, die andere mit Karton geschützt geblätterter Eisenkern, Ø= 49 mm, 2polig, total 360 Wdg. mit Cu-Draht Ø= 0,3 mm, einseitig gelagert mit zweitteil. Kollektor (PA9471), der Rotor ist austauschbar Aluminium, mit unverlierbar montierter Kohle, Bohrung für 4mm-Laborstecker 620 g B H T= mm ca. 4 V bei 50 ma (mit Hufeisenmagnet PA7021) 4,5 10 V (mit PA9470 und Hufeisenmagnet PA7021) mit Handkurbel und Versuchsanleitung B) für PA9475 (Wechselstromgenerator) Grundplatte mit Lager: Stator: Rotor: Bürstenhalter: Gewicht (inkl. 1 Rotor): Abmessungen: Ausgangsspannung im Generatorbetrieb: Lieferumfang: Aluminium B H T= mm Statorhälften, geblätterter Eisenkern, 15 mm hoch eine Stirnfläche geschliffen, die andere mit Karton geschützt geblätterter Eisenkern, Ø= 49 mm, 2polig, total 360 Wdg. mit Cu-Draht Ø= 0,3 mm, einseitig gelagert mit zwei Schleifringen (PA9476), der Rotor ist austauschbar Aluminium, mit unverlierbar montierter Kohle, Bohrung für 4mm-Laborstecker 620 g B H T= mm ca. 4 V bei 50 ma (mit Hufeisenmagnet PA7021) mit Handkurbel und Versuchsanleitung C) Rotoren - Austausch (durch den Lehrer) Werkzeug: 6kt-Stiftschlüssel (Inbus) Nr. 2, Schraubenzieher Nr. 0 Die beiden Bürstenträger abschrauben, Antriebsrolle (20) lösen und Rotor herausziehen. Neuen Rotor einsetzen, Antriebsrolle und Bürstenträger wieder montieren. Je nach Rotor ist einer der beiden Bürstenträger um 180 verdreht aufzuschrauben (siehe Aufbauskizze). ZT0202.DOC 2 / 7 09/03 MEM1

3 D) Aufbau PA 9470 Motor-/Generatoraufsatz mit Kollektor PA 9475 Generatoraufsatz mit Schleifringen Statorteile: 10. Grundplatte 11. Lager, selbstschmierend Eisenteile, geblättert Bürstenträger mit Kohlen (unverlierbar) und 4 mm Anschlussbuchsen Rotorteile: 20. Antriebsrolle ø =18 mm 21. Rotorkern 22. Rotorwicklung 23. Kollektor (2-teilig) 24. Schleifring (2 Stück) 25. Handkurbel (abnehmbar) Schematische Darstellung mit Hilfe der Hellraumprojektormodelle PA7595 (Gleichstromgenerator) und PA7594 (Wechselstromgenerator) ZT0202.DOC 3 / 7 09/03 MEM1

4 E) Versuche 1 Funktionsbeschreibungen 1.1 Allgemeines (für den Lehrer) Punkte 2 bis 4 sind Hintergrundinformationen für den Lehrer. Die Versuchsbeispiele (Punkt 5) enthalten Materiallisten sowie Aufbauskizzen. Für den Betrieb werden die Aufsätze auf einen U-Magneten (PA7021) oder auf einen U- Eisenkern (PA 9441) mit Spule aufgesetzt. (siehe Punkt 4). Mit Vorteil werden die Versuche an Gruppenarbeitsplätzen fest installiert. Schülerinnen und Schüler bzw. Schülergruppen arbeiten daran alternierend. 2 Der Generator (Spannungserzeuger) 2.1 Wechselstromgenerator mit PA9475 und Hufeisenmagnet PA7021 Durch Drehen des Rotors werden die Rotorspulen im Magnetfeld des Stators bewegt. In den Rotorspulen wird durch Induktion (bewegter Leiter im Magnetfeld) eine Spannung erzeugt und an den beiden Schleifringen mit Kohlestiften abgegriffen. Die Spannung wechselt ihre Polarität nach jeder halben Umdrehung, es ist eine Wechselspannung. Die Wechselspannung ist abhängig von: der Drehzahl der Stärke des Statormagnetfeldes der Anzahl Windungen auf der Rotorspule Hinweis: hierzu empfehlen wir das Hellraumprojektormodell PA Gleichstromgenerator mit PA9470 und Hufeisenmagnet PA7021 Durch Drehen des Rotors werden die Rotorspulen im Magnetfeld des Stators bewegt. In den Rotorspulen wird durch Induktion (bewegter Leiter im Magnetfeld) eine Spannung erzeugt. Die Spannung würde gemäss 2.1 ihre Polarität nach jeder halben Umdrehung wechseln. Mit dem Kollektor (zweigeteilter Schleifring) wird jedoch nach jeder halben Umdrehung die Polarität an den Abnahmestellen automatisch gekehrt, der Generator liefert eine (pulsierende) Gleichspannung. Die Gleichspannung ist abhängig von: der Drehzahl der Stärke des Statormagnetfeldes der Anzahl Windungen auf der Rotorspule Die Polarität der Spannung ist abhängig von: der Drehrichtung der Magnetfeldrichtung im Stator Hinweis: hierzu empfehlen wir das Hellraumprojektormodell PA7595 ZT0202.DOC 4 / 7 09/03 MEM1

5 3 Der Motor 3.1 Gleichstrommotor mit PA9470 und Hufeisenmagnet PA7021 Die drehbare Spule (Rotor) wird mit Gleichstrom gespeist. Das Magnetfeld im Stator wirkt auf die stromdurchflossenen Leiter der Spule und erzeugt ein Drehmoment (stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld). Der Rotor wird maximal um eine halbe Umdrehung gedreht, dann bleibt er fest nach dem Magnetfeld des Stators ausgerichtet. Der Kollektor bewirkt nun aber nach jeder halben Umdrehung einen Wechsel der Stromrichtung in der Rotorspule, der Rotor dreht kontinuierlich weiter. Die Drehzahl ist abhängig von: der angelegten Spannung (Strom) der Stärke des Statormagnetfeldes Die Drehrichtung ist abhängig von: der Stromrichtung in der Spule der Magnetfeldrichtung im Stator Hinweis: hierzu empfehlen wir das Hellraumprojektormodell PA Wechselstrommotor mit PA9470 und Eisenkern mit Spulen Wird der Rotor in 3.1 mit einem Wechselstrom gespeist, so bleibt der Rotor im gleichgerichteten Magnetfeld des Stators stehen. Die Kräfte zwischen dem ständig wechselnde Magnetfeld des Rotors und dem konstanten Statorfeld erzeugen ein stetig wechselndes Drehmoment. Wechselt hingegen das Statormagnetfeld im gleichen Takt wie das im Rotor, so entsteht ein gerichtetes Drehmoment, der Rotor dreht kontinuierlich. Das Magnetfeld des Stators darf also nicht mit einem Dauermagneten, sondern muss mit einer auf einem Eisenkern steckenden Spule erzeugt werden, welche mit der Rotorspule in Serie geschaltet ist. Wechselstrom-Seriemotoren mit Kollektor sind weit verbreitet (z.b. Staubsauger, Kleinbohrmaschine, Haarfön, usw.). 4 Magnetfeld für den Stator Das Magnetfeld kann wahlweise mit einem Dauermagneten oder mit einem fremderregten Magneten erzeugt werden (Ausnahme: Wechselstrommotor (3.2) immer fremderregt). Hufeisenmagnet (U-Magnet), Schenkeldistanz mind. 50 mm, max. 100 mm (z.b. PA7021). U-Kern aus Stahl (z.b. PA9441) mit passenden Spulen (z.b. 1 oder besser 2 PA9450) sowie ein Netzgerät zur Speisung der Spulen. Hinweise: Die Montageflächen am Stator sind geschliffen und erlauben die Verwendung verschiedenster Magnete oder Magnetsysteme. In den Versuchsbeispielen beschränken wir uns auf den Einsatz von MSW-Artikeln. Jeder Luftspalt zwischen Statoreisen und Magnetkreis schwächen den Magnetfluss sehr stark, auf saubere und ebene Berührungsflächen achten. Dauermagnete immer nur mit einer dünnen, nichtmagnetischen Zwischenlage auf Stativplatten stellen (verhindert magnetischen Kurzschluss). ZT0202.DOC 5 / 7 09/03 MEM1

6 5 Versuchsbeispiele 5.1 Materialliste Generator für Motor für Artikel-Nr. Bezeichnung AC = DC = DC AC PA 1120 Plattenstativ mit Stange 600 mm PA 1124 Doppelklemme 1 1 PA 1139 Achsenträger 1 1 PA 1225 Rundriemen Ø=4 880 mm 1 1 PA 1232 Riemenscheibe Ø=180 mm 1 1 PA 1243 Handkurbel 1 1 PA 7021 Hufeisenmagnet 20/ mm PA 7184 Netzgerät 0 50 V/4 A, 0 12 V/4 A (1) DC (1) DC (1) DC 1 AC PA 7493 Multimeter, analog, Nullpunkt links/mitte PA 7504 E-Motor-Generator 3 V / 15 ma 1 PA 7719 Glühlampe E10, 6 V / 0,05 A 1 1 PA 8514 Lampenfassung E PA 9441 U-Kern mit Joch, geblättert (1) (1) 1 PA 9450 Spule 240 Windungen (2) (2) 2 PA 9470 Motor-/Generatoraufsatz mit Kollektor PA 9475 Generatoraufsatz mit Schleifringen 1 div. Laborkabel 4 mm div. div. div. div. PA 7594 Wechselstromgenerator, HRP-Modell 1 PA 7595 Gleichstromgenerator, HRP-Modell 1 1 ( ) Anstelle von Hufeisenmagnet PA7021 für Fremderregung AC Wechselspannung DC Gleichspannung ZT0202.DOC 6 / 7 09/03 MEM1

7 5.2 Wechselstrom-Generator 5.3 Gleichstrom-Generator S N S N 5.4 Gleichstrom-Motor 5.5 Wechselstrom-Motor S N VDC VAC ZT0202.DOC 7 / 7 09/03 MEM1