Gleichstrommaschine

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Dieser Artikel behandelt den elektrischen Motor oder Generator namens Gleichstrommaschine. Für die spezielle Dampfmaschine namens Gleichstrommaschine siehe Dampfmaschine.

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.

[Bearbeiten] Aufbau

DC motor.

Eine oder mehrere Spulen auf dem Anker werden in einem magnetischen Feld so platziert, dass ein Drehimpuls ausgelöst wird. Die Wicklung des Ankers wird über den Kommutator angeschlossen. Die Kontakte des Kommutators - auch Bürsten genannt - sind so aufgebaut, dass sie während 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 selbst "schmiert" (meistens enthalten sie Graphit u. Kupferstaub ->Kohlebürste). Durch Umkehrung des Prinzips (Anker wird bewegt) erhält man einen Generator. Beim Generator werden nur permanente und 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 bestimmt.

[Bearbeiten] Permanenterregte Gleichstrommaschine

Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer permanenterregten Gleichstrommaschine

Das magnetische Statorfeld wird im einfachsten Fall durch einen Permanentmagnet erzeugt.

[Bearbeiten] Elektrisch erregte Gleichstrommaschine

Wird das Statorfeld durch einen Elektromagnet erzeugt, spricht man von elektrisch erregter Bauweise.

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

[Bearbeiten] Reihenschlussmaschine

Eine Abwandlung des Gleichstrommotors zur Nutzung mit Wechselstrom, genannt Reihenschlussmaschine

Auch Hauptschlussmaschine genannt. 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 (siehe Einphasenreihenschlussmotor) 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.

[Bearbeiten] Nebenschlussmaschine

Nebenschlussmaschine

Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallelgeschaltet. 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. Die Drehzahl eines Motors mit Nebenschlussverhalten ist nahezu lastunabhängig. Nebenschlussmotoren können bei Unterbrechung des Erregerkreises durchgehen, da beim Zusammenbrechen des Erregerfeldes die Drehzahl und Stromaufnahme bei gleicher Versorgungsspannung drastisch ansteigt. Nebenschlussmaschinen werden aufgrund des relativ konstanten Drehmoments oft in Werkzeugmaschinen eingesetzt.

[Bearbeiten] 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 von z. B. Pressen und Stanzen verwendet.

[Bearbeiten] Fremderregte Maschinen

Hier werden Anker- und Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist. Elektrisch fremderregte Maschinen können gut im Feldschwächebetrieb betrieben werden.

Drehmomentschwankungen ergeben geringe Drehzahländerungen.

[Bearbeiten] Spezielle Bauformen

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] 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. Dies 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) 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. Der Vorteil besteht darin, dass keine (anfälligen) Hall-Sensoren verwendet werden.

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.

[Bearbeiten] Spezielle Effekte

[Bearbeiten] 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".

[Bearbeiten] 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 oder das Netz überlastet 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.

[Bearbeiten] Mathematische Grundlagen

Die Gleichungen des magnetischen Systems:

$L_A \frac{d i_A}{dt} = -R_A\ i_A - u_{ind} + u_A$ (1)

$L_E \frac{d i_E}{dt} = -R_E\ i_E + u_E$ (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.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] 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

[Bearbeiten] 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

Von „http://de.wikipedia.org../../../g/l/e/Gleichstrommaschine.html“

Kategorie: Elektrische Maschine