Tutorial

Gleichstrom- und Wechselstrommotoren

Gleichstrommotoren (DC Elektromotoren)

Gleichstrommotoren - Geoelectric AGUnter einer Gleichstrommaschine versteht man einen Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird, oder einen Generator, der umgekehrt mechanische Energie in Wechselspannung wandelt und anschliessend gleichrichtet. In einigen Anwendungsfällen kann ein Gerät auch beide Funktionen erfüllen. In DC Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die stromdurchflossenen Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum Generator. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch translatorische Bewegungen ausführen (Linearantrieb). Elektromotoren werden zum Antrieb verschiedener Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge (vor allem Schienenfahrzeuge) eingesetzt.

Funktionsweise

Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer permanenterregten Gleichstrommaschine. Die Maschine 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, aus einem Permanentmagneten. Der Rotor wird bei konventionellen Maschinen Anker genannt.

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

Aufbau

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 Schleifkontakte 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 selbstÂschmierender Graphit, teilweise gemischt mit Kupferpulver; bei kleinen Motoren für Kassettentonbandgeräte kommen auch Edelmetall-Bürsten zum Einsatz.
Durch Umkehrung des Prinzips (Anker wird bewegt) erhält man einen Generator. Zur Nutzung als Generator zur Stromerzeugung werden nur permanent- oder fremderregte Bauweisen benutzt. Der Kommutator ermöglicht die Wandlung des erzeugten Wechselstroms in Gleichstrom.

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

Permanenterregte 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 fremderregte Maschinen sehr hohe Einschaltströme. Ihr Betriebsverhalten ist in den mathematischen Grundlagen erklärt. Permanent erregte Maschinen haben den Vorteil, dass zur Erzeugung des Magnetfeldes keine Energie benötigt wird. Das verbessert besonders bei kleiner Gesamtleistung den Wirkungsgrad. Der Nachteil besteht darin, dass Feldschwächung unmöglich und damit der mögliche Drehzahlbereich kleiner ist.

Elektrisch erregte Gleichstrommaschine

  • Wird das Statorfeld durch einen Elektromagnet erzeugt, spricht man von elektrischer Erregung.
  • Ist die Erregerwicklung vom Ankerstromkreis unabhängig, spricht man von Fremderregung.

Reihenschlussmotor

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, um Wirbelströme zu vermeiden, aus einem Blechpaket bestehen.

Einphasen-Reihenschlussmotoren wurden früher in Elektrolokomotiven (daher der Frequenzkompromiss 16, 7 Hz im Bahnstromnetz!) und auch heute noch in Strassenbahnen verwendet. Unter dem Begriff Universalmotor oder Allstrommotor treiben sie viele Haushaltsmaschinen, wie Staubsauger, Küchenmaschinen, Bohrmaschinen und andere Elektro-Handgeräte, an. Auch die Anlasser von Verbrennungsmotoren sind 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 lastabhängig (Reihenschlussverhalten). 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 hohes Anlaufmoment. Deswegen werden sie in Anlassern, Strassenbahnen und Elektrolokomotiven verwendet, wo sie im Kurzbetrieb extrem überlastbar sind.

Bei Betrieb mit Wechselstrom gibt das Netz eine pulsierende (doppelte Netzfrequenz) Leistung ab. Daher ist auch das Drehmoment pulsierend, so dass bei grossen Motoren elastische Elemente zwischengeschaltet werden müssen. Das gilt auch für Einphasen-Synchronmaschinen.

Schaltung

  • Reihenschlussmotor (interne Verschaltung)
  • Nebenschlussmaschine
  • Nebenschlussmotor (interne Verschaltung)Die Anschlüsse des Ankers werden mit A1 und A2 bezeichnet, die der Erregerwicklung mit D1 und D2. In der dargestellten Beschaltung dreht der Motor rechts herum (im Uhrzeigersinn), erkennbar am eingezeichneten Pfeil im Anker.

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.

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.

Die Anschlüsse des Ankers werden mit A1 und A2 bezeichnet, die der Erregerwicklung mit E1 und E2. In der dargestellten Beschaltung dreht der Motor rechts herum (im Uhrzeigersinn), erkennbar am eingezeichneten Pfeil im Anker.

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 des Erregerstroms (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.
Weitere Anwendungen sind bzw. waren Pendelmaschinen in Motorprüfständen und Antriebe von Werkzeugmaschinen und Scheibenwischern. Auch als Fahrmotoren in den elektrischen Stadtschnellbahntriebzügen der DB-Baureihe 420 werden fremderregte Motoren verwendet, da hier in Verbindung mit einer Phasenanschnittsteuerung deren Vorteile voll ausgespielt werden können.

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.

Bürstenloser sensorgesteuerter Gleichstrommotor (Rückseite mit Treiber-IC und Hallsensor)
Vorderseite zum oberen Bild mit Stator-Spulen, Dauermagnet-Aussenläufer und Welle (Capstan-Antrieb eines Videorecorders)Dies umgeht die bürstenlose Gleichstrommaschine, engl. brushless direct current, BLDC. Der Rotor besteht hier aus einem Permanentmagneten, der Stator besteht aus mehreren Magnetspulen, meist ist der Rotor ein Aussenläufer. Meist werden die Statoren dreiphasig ausgeführt. Die Umrichterelektronik einer bürstenlosen Gleichstrommaschine kann bei ungeeigneter Auslegung aufgrund von Schaltflanken ihrerseits auch elektromagnetische Störungen verursachen, die bei geeigneter Filterung begrenzt werden können.

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 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.

Die Gegen-EMK macht bei Umkehr der Stromrichtung (Klemmenspannung < EMK) aus dem Motor einen Generator, sie kann zur Bremsung und zur Energierückspeisung (Nutzbremsung) dienen.

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.

Praktische Anwendungen

Elektromotoren bewirkten ab Ende des 19. Jahrhunderts wesentlich die Industrialisierung und Mechanisierung. Sie lösten den Zentralantrieb von Maschinen durch eine Dampfmaschine oder eine Wasserkraft durch den Einzelantrieb (Motoren an jeder Maschine) ab.

Erste mobile Anwendungen waren Elektrolokomotiven und elektrische Bahnen, später Elektrokarren und Gabelstapler. Entwicklungen in der Leistungselektronik brachten einen weiteren Anwendungsschub - nun konnten die wartungsfreien, preiswerten Asynchronmotoren auch für drehzahlvariable Antriebe eingesetzt werden.

Heute werden Elektromotoren in grosser Zahl in Maschinen, Automaten, Robotern, Spielzeug, Haushaltsgeräten, Elektronikgeräten (z. B. Videorecorder, Festplatten, CD-Spieler), in Ventilatoren, Rasenmähern, Kränen usw. eingesetzt.

Mobile Anwendungen

Elektromotoren werden in Kraftfahrzeugen und Bahnen seit langem angewendet. Gründe hierfür sind:

  • hoher Wirkungsgrad (insbesondere auch bei Teillastbetrieb, wichtig bei Batteriebetrieb)
  • maximales Drehmoment liegt bereits bei niedrigen Drehzahlen an und nimmt mit höheren Drehzahlen ab
  • keine Emissionen (Einsatz in Werkhallen (z. B. Gabelstapler), Einsatz in Ballungsräumen (z. B. Strassenbahn), Klimaschutz nur dann, wenn die Elektroenergie nachhaltig erzeugt wird
  • geringere Betriebskosten (sehr lange Motor-Lebensdauer, geringere Wartung, geringere Energiekosten)
  • einfacher Aufbau und hoher Fahrkomfort (keine Kupplung, kein Schaltgetriebe, z. B. auch wichtig bei Versehrtenfahrzeugen)


Hohlwellenmotoren und Hohlwellenantriebe

hohlwellenmotoren - Geoelectric AGZweck der Hohlwellenantriebe

Der Hohlwellenmotor (Gleichstrom Kohlebürstenmotor) kann mit einer durchgehender Gewindespindel und einer mit der Welle verbundenen Gewindemutter als Linearantrieb verwendet werden.


Gleichstrommotor

Der Einsatz eines Gleichstrommotors hat den Vorteil, dass die Umschaltung der Drehrichtung durch einfaches Umpolen der Betriebsspannung erzielt werden kann.
Grössen: Zur Zeit werden zwei Längen des Hohlwellenantriebes hergestellt: der Durchmesser ist 56 x 48 mm und die Motorlängen betragen 194 und 135 mm.

Spindel

Die Gewindespindel hat einen Durchmesser von 10 mm. Als Beispiel wird bei einer gewünschten Schubkraft von 1200 N und einer Geschwindigkeit von 5-6 mm/s ein Trapezgewinde mit einer Steigung von 2.2 mm verwendet. Damit erreicht man ein optimales Verhältnis zwischen Wirkungsgrad und Selbst-hemmung des Antriebes. Bei kleinerer Steigung reduziert sich die Vorschubgeschwindigkeit, der Wirkungsgrad reduziert sich und die Selbsthemmung nimmt zu.Bei zunehmender Gewinde-steigung verhält es sich genau gegenteilig.

Antriebsdaten

Der Motor kann für Spannungen von 24 - 48 Vdc realisiert werden, der optimale Drehzahlbereich liegt bei 1'800 - 3'000 Rpm. In der oben beschriebenen Konfiguration ist der Antrieb bei einer Belastung von 1200N ohne Bremse selbsthemmend. Die Stromaufnahme des Antriebes unter dieser Last beträgt bei einer Ausführung für 28 - 32 Vdc ca. 8 - 9A.

Gewindemutter

Die Mutter kann auf der Welle angebracht oder in dieser integriert sein. Sie sorgt, im Zusammenspiel mit der Gewindespindel, für die Verwandlung der Drehbewegung des Motors in eine Linearbewegung.

Getriebe

Die Mutter kann alternativ auch durch ein, die Hohlwelle umgebendes, Getriebe angetrieben werden, die Mutter ist auch in diesem Fall in einer Linie mit der Welle, die durch das Getriebe und durch den Motorkörper geführt werden kann.
Dadurch kann, ohne einbussen beim mechanischen Wirkungs-grades, eine langsamere Bewegung mit mehr Schubkraft erreicht werden.

Encoder

Der Motor kann mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit und Richtung (Encoder) versehen werden, dadurch wird eine optimale Steuerung des Antriebes ermöglicht, was vor allem bei Anwendungen mit mehreren, synchron laufender Antriebe notwendig ist.

Entstörfilter

Der Motor ist mit einem aus Induktivitäten und Kondensatoren bestehenden Standard Entstörfilter ausgestattet.

Montage

Dank der besonderen Bauweise gestaltet sich die Montage des Antriebes in der Anwendung äusserst einfach. , da er bei entsprechender Auslegung

Vorteile gegenüber bekannten Lösungen:

  • Sehr zuverlässig
  • Niedrige Laufgeräusche
  • Motorbauhöhe begrenzt den möglichen Weg der Linearbewegung nicht
  • Kostengünstig durch einfache Konstruktion
  • Lösungen ohne Bremse oder Getriebe leicht realisierbar
  • Einfachste Laufrichtungsumschaltung
  • Betrieb mit Niederspannung
  • Geringe Abmessungen und Gewicht

Anwendungen

Allgemein als Linearaktuator
Durch die Bauform besonders geeignet für den unsichtbaren
Einbau in Teleskoprohre und Säulen aller Art



Getriebemotoren

Planten - Geoelectric AGZweck der Getriebemotoren

Ein Getriebemotor ist eine Kombination aus einem Motor, meist einem Elektromotor, und einem Getriebe, das dafür sorgt, dass sich die Abtriebswelle in den meisten Fällen mit geringerer Geschwindigkeit, aber wesentlich höherem Drehmoment als diejenige des Motors dreht.


Funktionsweise

Motoren und Getriebe bilden eine konstruktive Einheit - das Getriebe ist direkt angebaut oder sogar im gleichen Gehäuse untergebracht.

Da Elektromotoren bei höherer Drehzahl eine geringere Masse besitzen als solche gleicher Abgabeleistung mit niedriger Drehzahl und viele Antriebe im Allgemeinen nicht so hohe Drehzahlen benötigen, ist eine Getriebeuntersetzung in den meisten Fällen sinnvoll.

Direktantriebe, d. h. ohne ein Getriebe arbeitende Antriebe, besitzen jedoch in einigen Fällen Vorteile - es tritt kein Spiel auf und die Verluste des Getriebes entfallen.

Als Über- bzw. Untersetzung i eines Getriebes wird grundsätzlich das Drehzahlverhältnis der Antriebsdrehzahl zur Abtriebsdrehzahl verstanden. Neben i sind der Wirkungsgrad, das maximale Drehmoment am Abtrieb, das Spiel, die Maximaldrehzahl und die maximale axiale und radiale Wellenbelastung (Kraft) wichtige Parameter eines Getriebemotors.

Getriebearten

  • Schneckengetriebe : Achse der Abtriebswelle senkrecht zur Motor-Drehachse
  • Stirnradgetriebe: Achse der Abtriebswelle parallel, jedoch versetzt zur Motor-Drehachse
  • Planetengetriebe: Achse der Abtriebswelle gleicht der Motor-Drehachse
  • Kegelradgetriebe : Achse der Abtriebswelle senkrecht zur Motor-Drehachse

Zu unterscheiden sind weiterhin Schwenkantriebe und Drehantriebe. Bei einem Drehantrieb dreht sich die angetriebene Welle beliebig oft, bei einem Schwenkantrieb weniger als eine volle Umdrehung.

Ein Merkmal von Getriebemotoren ist auch, ob sie selbsthemmend oder nicht selbsthemmend sind, das heisst, ob das Drehen der Abtriebswelle bei stromlosem Motor möglich ist. Bei Stirnradgetrieben und Planetenradgetrieben geringer Untersetzung ist das oft der Fall, Schneckengetriebe sind in der Regel selbsthemmend.

Anwendungen

Getriebemotoren werden in der Technik beispielsweise als Stellantriebe für Armaturen, in Antrieben (Scheibenwischer, Roboter, Zustellantriebe, Rollladen, Jalousien usw.). Sie sind oft mit einem genormten Flansch ausgestattet, mit dem sie gegebenenfalls über eine Kupplungslaterne (Wellrohrkupplung) mit der anzutreibenden Welle verbunden werden können. Manchmal haben Getriebemotoren ein kuppelbares Handrad, damit das anzutreibende Bauteil notfalls auch von Hand betätigt werden kann.