Unter einer Gleichstrommaschine versteht man einen Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird, oder einen Generator, der umgekehrt mechanische Energie in Gleichstrom wandelt. In einigen Anwendungsfällen kann ein Gerät auch beide Funktionen erfüllen.
Sie besteht aus einem unbeweglichen äußeren Teil, dem Stator, und einem drehbar gelagerten inneren Teil, dem Rotor. Bei konventionellen Gleichstrommaschinen besteht der Stator aus einem Elektromagneten oder bei kleineren Maschinen einem Permanentmagneten. Der Rotor wird bei konventionellen Maschinen Anker genannt, es handelt sich dabei um einen Elektromagneten.
Zu den Vorteilen der Gleichstrommaschinen gehören gutes Anlaufverhalten und gute Regelbarkeit.
Aufbau
Die Wicklung des Ankers wird über den Kommutator angeschlossen. Die Kontakte ("Bürsten") des Kommutators sind so aufgebaut, arsch gefichstes arsch der Drehung ständig die Polung der Ankerwicklung wechseln. Sie sind aus einem Material gefertigt, welches gut elektrisch leitet, sich im Betrieb leicht abreibt und sich somit selber "schmiert" (meistens enthalten sie Graphit u. Kupferstaub). Somit ist beim Gleichstrommotor die Drehbewegung gewährleistet. Beim Generator wird durch die Funktion des Kommutators aus dem Wechselstrom des Rotors Gleichstrom.
Nach der Art der Schaltung von Rotor und Statorwicklung unterscheidet man:
Reihenschlussmaschine
Hier sind Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschaltet. Dadurch wechseln Erregerfeld und Ankerstrom ihre Richtung synchron, so dass eine Speisung mit Wechselstrom möglich wird. Solche Maschinen wurden als Bahnantriebe in Wechselstromnetzen eingesetzt. Unter dem Begriff Universalmotor oder Allstrommotor werden die Antriebe von Haushaltsmaschinen, Bohrmaschinen etc. zusammengefasst.
Die Drehzahl von Reihenschlussmotoren ist stark lastabhängig. Sinkt das abgegebene Drehmoment, so steigt wegen des geringeren Stroms und der damit einhergehenden Feldschwächung die Drehzahl des Ankers. Das kann so weit führen, dass der Motor "durchgeht", was bedeutet, dass sich der Motor wegen der auftretenden Fliehkräfte selbst zerstört. Deshalb sollten Reihenschlussmotoren mit einer Grundlast (Motorlüfter, Getriebe etc.) betrieben werden.
Nebenschlussmaschine
Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallel geschaltet. Ein Wechselspannungsbetrieb ist nicht üblich, da hierfür Erreger- und Ankerstrom in Phase sein müssten, d.h. Anker- und Erregerwicklung gleiche Induktivität (und Widerstand) haben müssen. Oft wird nicht zwischen Nebenschluss- und fremderregter Maschine unterschieden und dabei übersehen, dass eine Verringerung der Ankerspannung zu einer Feldschwächung führt.
Verbundmaschine
Fremderregte Maschine: Hier werden Anker- und Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist. Eine permanent erregte Maschine ist hier einzuordnen. Elektrisch erregte Maschinen können gut im Feldschwächebetrieb gefahren werden.
Drehmomentschwankungen ergeben geringe Drehzahländerungen.
Glockenanker-Maschinen
Kleine Maschinen bis etwa 100 Watt mit Permanentmagnet können auch mit einem hohlen Rotor gebaut werden. Der Rotor ist eisenlos selbsttragend gewickelt und kunstharzgetränkt. So wird das Trägheitsmoment des Rotors verringert und der Motor kann schneller beschleunigen.
Der Stator, ein Permanentmagnet, liegt in diesem Fall innerhalb des Rotors. Das außenliegende Motorgehäuse aus Eisen bildet den notwendigen Rückschluss für den magnetischen Fluss des Stators. Der elektrische Aufbau entspricht der ersten Illustration.
Durch den eisenlosen Aufbau des Rotors bildet der Motor kein Rastmoment aus, er lässt sich vollkommen frei drehen.
Da im Gegensatz zu allen anderen Motoren im Betrieb keine Eisenteile ummagnetisiert werden müssen, ist dieser Motor frei von Eisenverlusten und erreicht dadurch höhere Wirkungsgrade.
Bürstenlose Gleichstrom-Maschinen
Nachteil der konventionellen Gleichstrommaschinen sind die Funken, welche bei den Bürsten entstehen ("Bürstenfeuer"). Das Bürstenfeuer ist die Hauptursache für hochfrequente Störungen, die der Motor im Betrieb in das Leitungsnetz zurückspeist und die andere elektrische Verbraucher stören könnten. Dies begrenzt auch die maximale Drehgeschwindigkeit, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und verschleißen. Weiterhin bewirken hohe Drehzahlen auch höhere Induktionsspannungen die bis hin zum umlaufenden Bürstenfeuer führen können.
Dies umgeht die bürstenlose Gleichstrommaschine, engl. brushless direct current, BLDC. Der Rotor besteht hier aus einem Permanentmagneten, der Stator besteht aus mehreren Elektromagneten. Die Lage des Rotors wird ständig gemessen, z.B. über die rückwirkende Induktionsspannung bzw. über den resultierenden Strom oder mittels Hall-Effekt Sensoren. Im ersteren Fall spricht man von sensorlosen Motoren. Diese Ausführung findet man vor allem im Kleinleistungsbereich sowie bei niedrigen Anforderungen hinsichtlich Dynamik und Anlaufmoment. Hochwertige Industriemotoren (Servomotor) werden dagegen meist sensor-gesteuert ausgeführt.
Die Elektromagneten im Stator werden über eine Brückenschaltung aus MOS-FET/MOSFET-Transistoren oder IGBT kommutiert. Man spricht daher auch von EC-Motoren, (elektronisch kommutiert, engl. electronical commutation). Genaugenommen handelt es sich bei dieser Variante auf Ebene der Motorklemmen um eine Synchronmaschine, die mit einer (im Vergleich zu echten Wechselrichtern) vereinfachten Umrichterelektronik von einer Gleichspannung gespeist wird.
Diese Maschinen sind wegen ihrer zusätzlichen Elektronik vergleichsweise teuer. Sie bieten jedoch eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen, bürstenbehafteten E-Motoren und verdrängen diese deshalb aus immer mehr Einsatzgebieten. Häufig findet man sie z.B. als Außenläufer im Computerbereich. Dort treiben sie Lüfter und werden in den verschiedenen Laufwerkstypen eingesetzt. Im RC-Flug-Bereich sind sie bereits Standard. Für den RC-Car-Bereich sind sie seit 2005 bei der deutschen Meisterschaft erlaubt.
Ankerrückwirkung
Da der Anker stromdurchflossen ist, bildet sich auch um diesen ein magnetisches Feld. Dieses verstärkt das Hauptfeld auf der einen Seite des Leiters und schwächt es auf der anderen. Insgesamt führt dies dazu, dass sich der neutrale Bereich, in dem die Polung des Stromes umgeschaltet werden muss, etwas verspätet, d.h. in Drehrichtung verschiebt. Da sich jedoch der Kommutator nicht anpasst (also stets senkrecht zu den Hauptfeldlinien umschaltet und nicht senkrecht zu den "effektiven" Feldlinien), liegt zu dem Zeitpunkt des Umschaltens noch eine Induktionsspannung an den Kohlebürsten an und es kommt zur Funkenbildung, dem Bürstenfeuer.
Gegenspannung
Der Rotor dreht sich im Motor innerhalb des Statorfeldes. Nach dem Generatorprinzip wird so in der Spule eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung wirkt der angelegten Netzbetriebsspannung und somit auch dem Rotorstrom entgegen, daher der Name Gegenspannung.
Rotorstrom =(Betriebsspannung-Gegenspannung)/Rotorwiderstand
Die Gegenspannung ist abhängig von der Drehzahl des Rotors. Bei Motorstillstand gibt es also keine Gegenspannung. Deshalb liegt an der Rotorspule die volle Betriebsspannung. Der Widerstand der Rotorspulen ist sehr klein und somit der Strom im Moment des Einschaltens sehr groß, ohne Begrenzung des Anlaufstromes würde also die Rotorspule zerstört werden.
Drehzahl = Null; Gegenspannung = Null; Betriebsspannung = Spannung an der Rotorspule; Strom der Rotorspule sehr hoch.
Der Anlaufwiderstand wird in Reihe zur Rotorspule geschaltet. Nach dem Hochlaufen wird dann der Anlaufwiderstand bis auf Null reduziert.
Literatur
- Hans Otto Seinsch;Grundlagen elektrische Maschinen und Antriebe; B. G. Teubner Stuttgart 1999; ISBN 3-519-06164-3
- Albach, Manfred: "Grundstudium der Elektrotechnik", Band 1-2, Pearson Studium 2005
Weblinks
- walter-fendt.de Animiertes Modell zum Prinzip des Elektromotors
- walter-fendt.de Animiertes Modell zum Prinzip des Generators
- Flash-Animation zum Gleichstrom-Motor (dwu-Unterrichtsmaterialien)