Gleichstrommaschine

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 Teil, dem Stator, und einem drehbar gelagerten Teil, dem Rotor (Anker). Die meisten Gleichstrommotoren sind als Innenläufer ausgeführt: der Rotor ist der innere Teil, der Stator der äußere. Beim Außenläufer ist es umgekehrt. Bei konventionellen Gleichstrommaschinen besteht der Stator aus einem Elektromagneten oder bei kleineren Maschinen einem Permanentmagneten. Der Rotor wird bei konventionellen Maschinen Anker genannt.

Zu den Vorteilen der Gleichstrommaschinen gehören gutes Anlaufverhalten und gute Regelbarkeit.

Aufbau

Permanenterregter Gleichstrommotor

Anker eines Kommutatormotors

Eine oder mehrere Spulen auf dem Anker werden in einem magnetischen Feld (Stator) so platziert, dass durch die Lorentzkraft ein Drehmoment erzeugt wird. Die Wicklungen des Ankers werden hierzu über einen Kommutator (Polwender) angeschlossen. Die Schleif-Kontakte am Kommutator (Bürsten oder Kohlebürsten) sind so angeordnet, dass sie während der Drehung die Polung der Ankerwicklungen so wechseln, dass immer diejenigen Wicklungen von Strom entsprechender Richtung durchflossen werden, die sich quer zum Erregerfeld bewegen.

Die Bürsten sind aus einem Material gefertigt, welches eine verschleißarme gute Kontaktierung bietet. (oft der selbstschmierende Graphit, teilweise gemischt mit Kupferpulver; bei kleinen Motoren für Kassettentonbandgeräte kommen auch Edelmetall-Bürsten zum Einsatz, siehe Kohlebürste).
Durch Umkehrung des Prinzips (Anker wird bewegt) erhält man einen Generator. Zur Nutzung als Generator zur Stromerzeugung werden nur permanent- oder fremderregte Bauweisen benutzt. Durch die Funktion des Kommutators wird aus dem Wechselstrom des Ankers Gleichstrom.

Das allgemeine Motorverhalten wird durch die Feldstärke der Feldwicklung und die Eigenschaften der Ankerwicklung (Windungszahl, Anzahl der Pole) bestimmt.

Permanenterregte Gleichstrommaschine

Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer permanenterregten Gleichstrommaschine

Permanenterregter Gleichstrommotor (Wischermotor, PKW Trabant)

Das Stator-Magnetfeld wird bei kleineren Motoren (Spielzeug, Stellantriebe, Gebläse und Kühler-Ventilatoren in Kraftfahrzeugen) oft durch Permanentmagnete erzeugt. Diese Magnete sind mit der Entwicklung der Gleichstrommotoren immer leistungsfähiger geworden und gestatten heute den Bau von Motoren, die in ihrer Leistung denen mit elektrischer Erregung nicht nachstehen. Die Kosten der Permanentmagnete sind jedoch bei größeren Motoren oft höher als diejenigen einer Erregerwicklung.

Permanenterregte Motoren haben wie auch Nebenschlussmaschinen sehr hohe Einschaltströme, die bei hoch effizienten größeren Motoren oft mehr als das Zehnfache des Betriebsstromes betragen.

Elektrisch erregte Gleichstrommaschine

Wird das Statorfeld durch einen Elektromagnet erzeugt, spricht man von elektrischer Erregung oder - bei getrennter Stromquelle für die Erregerwicklung - auch von Fremderregung.

Nach der Art der Schaltung von Rotor und Statorwicklung unterscheidet man:

Reihenschlussmaschine

Reihenschlussmotor, auch Universalmotor, auch für Wechselspanung geeignet

Reihenschlussmotor (Universalmotor) für Netzwechselspannung (Antrieb der Radialturbine eines Staubsaugers)

Der Reihenschlussmotor wird auch Hauptschlussmaschine genannt, bei ihm sind Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschaltet. Die Erregerwicklung muss daher im Gegensatz zum Nebenschlussmotor niederohmig sein. Bei einer Speisung mit Wechselspannung wechseln sowohl Erregerfeld als auch der Ankerstrom ihre Richtung nach jeder Halbwelle, so dass der Motor auch an Wechselspannung verwendbar ist. Der Eisenkern des Stators muss hierzu jedoch aus einem Blechpaket bestehen.

Solche Maschinen wurden besonders früher in Elektrolokomotiven (daher der Frequenzkompromiss 16,7 Hz im Bahnstromnetz!) und auch heute noch in Straßenbahnen eingesetzt (siehe Einphasenreihenschlussmotor) eingesetzt. Unter dem Begriff Universalmotor oder Allstrommotor bilden sie die Antriebe von vielen Haushaltsmaschinen (Staubsauger, Küchenmaschinen, teilweise Entsafter) Bohrmaschinen und anderen Elektro-Handgeräten. Auch die Anlasser von Verbrennungsmotoren sind ebenfalls Reihenschlussmotoren.

Um einen Reihenschlussmotor als Generator (z.B. beim elektrischen Bremsen von Straßenbahnen) betreiben zu können, muss seine Erregerwicklung umgepolt werden, ansonsten hebt der generierte, durch die Feldwicklung fließende Strom das Erregerfeld auf.

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 müssen Reihenschlussmotoren mit einer Grundlast (Motorlüfter, Getriebe etc.) betrieben werden.

Reihenschlussmotoren haben, insbesondere bei Wechselspannungsbetrieb („Universalmotor“, z.B. in Staubsaugern), einen wesentlich geringeren Einschaltstrom, als Nebenschluss- oder permanenterregte Motoren. Sie liefern dabei jedoch kurzzeitig ein sehr hohes Anlaufmoment. Das ist mit ein Grund für ihren Einsatz in Anlassern, Straßenbahnen und Elektrolokomotiven, wo sie im Kurzbetrieb extrem überlastbar sind.

Nebenschlussmaschine

Nebenschlussmaschine

Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallelgeschaltet. Ein Wechselspannungsbetrieb ist schlecht möglich, da Erreger- und Ankerstrom aufgrund des hohen Blindanteiles des Stromes durch die Erregerwicklung (große Induktivität) eine unterschiedliche Phasenlage besitzen. Die Drehzahl großer Nebenschluss-Motoren ist nahezu lastunabhängig. Nebenschlussmotoren können bei Unterbrechung des Erregerkreises durchgehen, da beim Zusammenbrechen des Erregerfeldes die Drehzahl und Stromaufnahme bei gleicher Versorgungsspannung drastisch ansteigt. Fremderregte Nebenschlussmaschinen wurden aufgrund der über die Erregung einstellbaren, vom Drehmoment unabhängigen Drehzahl oft in Werkzeugmaschinen eingesetzt, sind heute jedoch weitgehend von Asynchronmotoren mit Frequenzumrichter abgelöst worden. Ein heutiges Beispiel sind Scheibenwischer-Motoren, bei denen auch die veränderbare Drehzahl genutzt wird.

Nebenschlussmotoren haben wie auch permanenterregte Gleichstrom-Motoren einen sehr großen Einschaltstrom.

Nebenschlussmotoren können als Generator (z.B. zur Bremsung) arbeiten, wenn eine Hilfsspannungsquelle oder eine Restmagnetisierung dafür sorgen, dass beim Start des Bremsvorganges eine Erregung vorhanden ist.
Mit steigender Erregung oder Drehzahl steigt auch die generierte Spannung - es ist die Spannung, die auch bei Motorbetrieb dem speisenden Strom entgegen wirkt und für eine konstante Drehzahl sorgt. Sie wird daher auch Gegen-EMK genannt.

Verbundmaschine

Der Doppelschlussmotor (auch Verbund-oder Compoundmotor genannt) vereinigt die Eigenschaften des Neben- und des Reihenschlussmotors in einer Maschine. Er hat eine Reihenschluss- und eine Nebenschlusswicklung. Je nach Auslegung hat der Doppelschlussmotor unterschiedliches Betriebsverhalten. Bei richtiger Kompoundierung hat er ein etwas geringeres Anzugsdrehmoment als ein gleichwertiger Reihenschlussmotor. Seine Drehzahl sinkt dann bei Belastung etwas mehr ab als die eines entsprechenden Nebenschlussmotors. Bei Leerlauf geht er nicht durch. Wird der Doppelschlussmotor überkompoundiert, so hat er vorwiegend Reihenschlussverhalten, also ein hohes Anzugsmoment, aber eine instabile Drehzahl. Bei Unterkompoundierung hat er überwiegend Nebenschlussverhalten, also hohe Drehzahlstabilität, aber geringeres Anzugsmoment. Der Doppelschlussmotor wird wegen seines gleichen Drehzahl-Drehmoment-Verhaltens zum Antrieb z. B. von Pressen und Stanzen verwendet.

Fremderregte Maschinen

Hier werden Anker- und Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist. Während bei der Nebenschlussmaschine die Erregerspannung gleich der Ankerspannung ist, kann man bei fremderregten Maschinen durch Verringerung der Erregerspannung (Feldschwächung) die Drehzahl erhöhen oder durch Verringerung der Ankerspannung absenken.
Drehmomentschwankungen ergeben geringe Drehzahländerungen.

Fremderregte Maschinen wurden früher z.B. im Leonardsatz eingesetzt, dem früher einzigen drehzahlvariablen Antrieb für große Leistungen, der aus einem Drehstrom-Asynchronmotor, einem jeweils fremderregten Gleichstrom-Generator und Gleichstrom-Motor bestand.
Eine weitere Anwendung sind Pendelmaschinen in Motorprüfständen.

Spezielle Bauformen

Glockenanker-Maschinen

Vorderansicht eines Rotors einer Glockenanker-Maschine der Firma maxon motor ag

Schema eines Glockenanker-Motors, oben: Längs- und Querschnitt, unten: Anordnung der Spulenstränge auf der Zylinderfläche; B = Magnetfluss, current = Stromfluss

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.

Der Scheibenläufermotor ist ähnlich aufgebaut, allerdings ist die Wicklung nicht in Form eines Zylinders, sondern als Scheibe ausgeführt.

Bürstenlose Gleichstrom-Maschinen

Nachteil der konventionellen Gleichstrommaschinen sind die Funken, die 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. Es begrenzt auch die maximale Drehgeschwindigkeit, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und besonders schnell 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 Magnetspulen, ist also eine Umkehrung des allgemeinen Aufbaus. Meist werden diese dreiphasig ausgeführt.

Es gibt drei Arten:

• Beim Schrittmotor wird ein konstanter Haltestrom eingeprägt, die Phasen werden blind geschaltet. Dies wird angewendet, wenn die Last bekannt und konstant ist oder nur kleine Leistungen bzw. Verluste auftreten. Es ist zu beachten, dass ein hartes Umschalten der Phasen im Zusammenhang mit dem Haltemoment und der Trägheit des Rotors zu einer Resonanz führt, die wegen der fehlenden Rückkopplung nur durch das Weicheisen bzw. bei der Drehstrom-Synchronmaschine durch den Dämpferkäfig gedämpft ist.

• Sensorgesteuerte bürstenlose Gleichstrommaschinen besitzen Lagesensoren, die die Stellung des Rotors detektieren. Wie bei der bürstenbehafteten Gleichstrommaschine können so die Phasen in Abhängigkeit von der Lage des Rotors geschaltet werden. Die Positiondetektion kann mittels magnetischer (Hall-Effekt-Sensoren, Feldplatten), elektrischer (Potentiometer) oder optischer Positionssensoren erfolgen (z.B. bei hochwertigen Industriemotoren, Servomotoren).

• Sensorlose bürstenlose Gleichstrommaschinen benutzen die Gegenspannung zur Detektion der Rotorposition. Diese Variante heißt im Englischen 'sensorless', da keine separaten Sensoren benötigt werden.
  Da zur Entstehung einer auswertbaren Gegenspannung eine bestimmte Mindestdrehzahl erforderlich ist, müssen sensorlose Motoren als Schrittmotor bis zum Erreichen dieser Drehzahl blind geschaltet werden. Ihr Vorteil besteht darin, dass keine Positionssensoren verwendet werden, die zum Teil stark störanfällig sind (z.B. Hall-Sensoren).

Die drei Spulenstränge des Stators werden über eine Brückenschaltung (mit Transistoren, MOSFET oder IGBT, bei kleinen Leistungen in einem Leistungs-IC integriert) kommutiert. Man spricht daher auch von EC-Motoren, (elektronisch kommutiert, engl. electronical commutation). Die Elektronik stellt einen Drehstromregler dar, wie er ähnlich auch in Frequenzumrichtern verwendet wird. Genaugenommen handelt es sich bei diesen Motoren auf Ebene der Motorklemmen daher um Synchronmaschinen, die jedoch mittels der Umrichterelektronik mit Gleichspannung gespeist werden können.

Diese Maschinen sind wegen ihrer zusätzlichen Elektronik vergleichsweise teuer. Sie verdrängen wegen ihres besseren Wirkungsgrads, der kompakten Bauweise (höhere Leistung bei gleichen Bauvolumen) und geringerem Verschleiß (keine Bürsten) konventionelle, bürstenbehafteten E-Motoren immer mehr. Häufig findet man sie z.B. als Außenläufer in Computern. Dort treiben sie Lüfter und verschiedene Laufwerkstypen an. In Videorekordern verwendet man sie zum Antrieb der Kopftrommel.
Im Modellbau werden bürstenlose Motoren (engl. Brushless Motor oder BL Motor) bei anspruchsvollen Leistungsmodellen verwendet.

Spezielle Effekte

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. gegen die 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. In Anlagen, die ein gleichmäßiges Drehmoment verlangen und nur in einer Laufrichtung betrieben werden (z.B. starke Lüfter), kann das Bürstenfeuer verringert werden, indem der Bürstenträger leicht verdreht montiert wird und dann im Betriebszustand doch senkrecht zu den effektiven Feldlinien umschaltet. Dies erfordert jedoch eine Justierung im Betrieb und wird heute aus Kostengründen kaum noch durchgeführt. Stattdessen werden in großen Maschinen Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen eingesetzt, die die Feldlinien gleichsam in die ideale Lage "zurückbiegen".

Gegenspannung

Der Anker dreht sich im Motor innerhalb des Statorfeldes. Nach dem Generatorprinzip wird so in dessen Spulen auch bei Motorbetrieb eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung ist wie die Betriebsspannung gepolt und wirkt daher dem Rotorstrom entgegen. Sie wird Gegenspannung oder Gegen-EMK genannt. Sie ist ein wichtiger Parameter von Motoren, mit ihrer Hilfe lässt sich in etwa die Leerlaufdrehzahl permanenterregter Motoren bestimmen.

Der Ankerstrom führt zu einem ohmschen Spannungsabfall am Ankerwiderstand (Kupfer), dieser Spannungsabfall steigt somit mit der Belastung des Motors (steigende Stromaufnahme) an und bewirkt bei permanent- und fremderregten Motoren einen Abfall der Drehzahl. Bei großen fremderregten Motoren ist dieser Drehzahlrückgang sehr gering.

Die Gegen-EMK ist streng linear abhängig von der Drehzahl des Ankers und der Stärke der Erregung. Die Gegen-EMK kann von Regelschaltungen genutzt werden, um die Drehzahl permanenterregter Motoren exakt zu stabilisieren; dies wird z.B. bei Kassetten-Tonbandgeräten angewendet.

Bei Motorstillstand gibt es keine Gegenspannung. Deshalb haben fremd- und permanenterregte Gleichstrommotoren einen hohen Einschaltstrom - der Widerstand der Rotorspulen ist vergleichsweise klein und somit der Strom im Moment des Einschaltens sehr groß.
Ohne Begrenzung des Anlaufstromes werden große Motoren oder das speisende Netz eventuell überlastet, man verwendet daher in Reihe zum Anker Anlasswiderstände, die nach dem Hochlaufen stufenweise kurzgeschlossen werden.
Auch die Reihenschlussmotoren von Straßenbahnen wurden früher über Fahrschalter (Stufenwiderstand) angefahren, heute wird dies verlustärmer über Schaltregler (Chopperbetrieb) erreicht.
Bei Elektrolokomotiven verwendete man Transformatoren mit Stufenschaltern, an denen sich kleinere Stelltransformatoren von Stufe zu Stufe „hangelten“. Auch hier verwendet man heute stattdessen Leistungselektronik (IGBT-Schalter)

Mathematische Grundlagen

Die Gleichungen des magnetischen Systems:

$L_{A}{\frac {di_{A}}{dt}}=-R_{A}\ i_{A}-u_{ind}+u_{A}$ (1)

$L_{E}{\frac {di_{E}}{dt}}=-R_{E}\ i_{E}+u_{E}$ (2)

$u_{ind}=c_{A}\cdot \psi _{E}\cdot \omega$

$\psi _{E}={\frac {1}{N_{E}}}L_{E}\ i_{E}$

$M=kt\cdot I$

Darin ist

$i_{A}\$ der Ankerstrom, $u_{A}\$ die Ankerspannung, $R_{A}\$ der Wicklungswiderstand, $L_{A}\$ die Induktivität der Ankerwicklung, $u_{E}\$ die Erregerspannung, $i_{E}\$ der Erregerstrom, der Wicklungswiderstand $R_{E}\$ und die Induktivität $L_{E}\$ der Erregerwicklung, ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, $u_{ind}\$ die im Anker induzierte Spannung, $\psi _{E}\$ der Erregerfluss.

Die Gleichungen des mechanischen Systems mit der Annahme, dass der Erregerkreis nicht gesättigt ist:

${\frac {d\phi }{dt}}=\omega$ (3)

$J{\frac {d\omega }{dt}}=c_{A}\ \psi _{E}\ i_{A}-\tau _{L}$ (4)

Darin ist

${N_{E}}\$ - die Anzahl der Windungen der Erregerwicklung, $J\$ das Massenträgheitsmoment des Ankers und aller damit starr verbundenen Massen, $\phi \$ der Drehwinkel des Ankers, $\omega \$ die Winkelgeschwindigkeit des Ankers, $\tau _{L}\$ die Summe aller Lastmomente am Anker. $c_{A}\$ bezeichnet die sog. Maschinenkonstante.

Siehe auch

• Drehstrom-Asynchronmaschine
• Elektrischer Generator
• Pendelmaschine

Literatur

• Hans Otto Seinsch: Grundlagen elektrische Maschinen und Antriebe, B. G. Teubner Stuttgart 1999, ISBN 3-519-06164-3
• Albach, Manfred: „Grundstudium der Elektrotechnik“, Bände 1–2, Pearson Studium 2005
• Fischer, Rolf: Elektrische Maschinen, Hanser Verlag 1995

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)
• associatedrewinds.com Zerlegen Sie einen Zugkraftmotor