Allstrommotor

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Allstrommotor

Der Einphasen-Reihenschlussmotor ist ein Elektromotor, der mit Gleich- oder Wechselstrom l√§uft, ohne Ver√§nderungen am Motor vornehmen zu m√ľssen. Er ist mit dem Gleichstromreihenschlussmotor bis auf wenige Details identisch. Kleinere Einphasen-Reihenschlussmotoren werden auch Universalmotor oder Allstrommotor genannt.

Schaltzeichen Universalmotor

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Ständer- und Läuferblechschnitt eines Universalmotors

Der Aufbau des Einphasen-Reihenschlussmotors ist fast identisch mit dem der Reihenschluss-Gleichstrommaschinen. Er unterscheidet sich in seiner Bauform nur durch das gedrungene St√§nderpaket, das mit den Polschuhen eine Einheit bildet, vom normalen Gleichstromreihenschlussmotor. Zum Reduzieren der Wirbelstromverluste, die durch das Wechselfeld entstehen, muss der gesamte Magnetkreis geblecht ausgef√ľhrt sein (Dynamoblech). Die prinzipielle Wirkungsweise des Einphasen-Reihenschlussmotors ist gleich wie bei der Gleichstrommaschine. Wegen der Serienschaltung der Anker- und Erregerwicklung sind der Erregerstrom (Erregerfeld) und der Ankerstrom gleichphasig, das hei√üt, Erregerstrom und Ankerstrom √§ndern gleichzeitig das Vorzeichen, Kraft- und Drehrichtung bleiben gleich.

Einphasen-Reihenschlussmotoren sind zwar f√ľr Wechselspannung ausgelegt, k√∂nnen aber auch mit Gleichspannung betrieben werden. Umgekehrt l√§sst sich ein Gleichstrommotor jedoch nicht mit Wechselstrom betreiben, da dann meist st√∂rende Wirbelstr√∂me im St√§nder, Selbstinduktionsspannungen durch Streufelder von Anker und Erregerwicklung auftreten w√ľrden. Aufgrund des induktiven Blindwiderstandes ist die Leistung an Wechselspannung um 15¬†% kleiner als an Gleichspannung. Kleine Einphasenreihenschlussmotoren werden heute als Universalmotoren bis zu einer Nennleistung von 3 Kilowatt und einer Nenndrehzahl von 3000 bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute ausgef√ľhrt. Aufgrund der hohen Drehzahl k√∂nnen diese Universalmotoren kleiner gebaut werden. Da in kleinen Motoren die Stromdichte sehr gro√ü ist, entsteht eine hohe Verlustleistung, der Motor erw√§rmt sich. Dieses Problem wird aber durch die hohe Drehzahl wieder behoben (K√ľhlung).

Aufbau

Universalmotor f√ľr ca. 500¬†Watt
Anker eines Universalmotors

Das St√§ndergeh√§use umfasst den gesamten Motoraufbau und ist bei kleineren Motoren ein Gussteil, bei gr√∂√üeren Motoren eine Schwei√ükonstruktion. Kleinere Motoren k√∂nnen am St√§ndergeh√§use K√ľhlrippen haben, gr√∂√üere Motoren dagegen Hohlr√§ume zur K√ľhlluftf√ľhrung. Der Motor besteht aus einem Stator, der wie jener des Gleichstrommotors ausgepr√§gte Pole besitzt, im Unterschied zu diesem aber als Blechpaket ausgef√ľhrt ist. Allerdings haben Motoren f√ľr gro√üe Leistungen keine ausgepr√§gten Pole mehr, bei ihnen besteht der Stator aus gestanzten Dynamoblechprofilen. Die magnetisch aktiven Teile von St√§nder und Anker sind aus ‚ÄěPaketen‚Äú von einseitig gegen Wirbelstr√∂me isolierten Dynamoblechen zusammengesetzt. Diese werden als gesamter Ring oder als einzelne Segmente ausgestanzt. Das Blechpaket wird in den St√§nder eingepresst oder eingeschrumpft. Sowohl St√§nder- als auch Ankerblechpaket sind meist so geformt, dass sie statt nur einem eine Vielzahl von Polpaaren auspr√§gen.

Die elektrisch aktiven Teile bestehen im Wesentlichen aus der St√§nder- bzw. Erregerwicklung und der Ankerwicklung. Da die Erregerwicklung symmetrisch zum Anker aufgeteilt ist, wirken die Teilspulen der Erregerwicklung wie Drosselspulen und tragen somit zur Funkentst√∂rung bei. Die Erregerwicklungen und die Ankerwicklung sind hintereinander, bzw. ‚Äěin Reihe‚Äú geschaltet. Dabei liegt vor der Ankerwicklung jeweils eine Erregerwicklung (Hauptwicklung). Die Reihenschlusswicklung hat nur wenige Windungen, allerdings mit gro√üem Querschnitt. Die Kupferdrahtwicklungen werden in Nuten des St√§nder- und des Ankerblechpakets gewickelt oder als vorgefertigte Wicklungen eingelegt. In den Nuten wurde zuvor auch eine Isolationsmaterial-Schicht eingelegt. Zur elektrischen Isolation der Dr√§hte gegeneinander und zur Stabilisierung k√∂nnen die Wicklungen mit Speziallack getr√§nkt und getrocknet sein.

Der Rotor ist mit dem des Gleichstrommotors identisch. Der rotierende Anker besteht aus dem auf der Achswelle aufgebrachten Ankerblechpaket und der Ankerspulenwicklung. Die Ankerwelle ist im St√§ndergeh√§use gelagert und √ľbertr√§gt das Drehmoment des elektrischen Antriebs auf die mechanisch verbundene Maschine oder das Getriebe. Auf einer Seite des Ankerblechpakets ist der Kommutator bzw. Kollektor angebracht, durch den die Str√∂me der Ankerspulenwicklung √ľber die im St√§nder angebrachten Kohleb√ľrsten zur St√§nderwicklung oder zu den Anschl√ľssen geleitet werden.

Entsprechend dem Anwendungszweck sind am St√§ndergeh√§use Befestigungsvorrichtungen vorhanden. Fahrmotoren f√ľr elektrische Bahnen haben spezielle Vorrichtungen zur federnden Aufh√§ngung zwischen der Tr√§gerkonstruktion (Drehgestell oder Lokomotivkasten) und dem Zahnradgetriebe auf der
Radsatzachse.

Wirkungsweise

Prinzipielle Darstellung zur Wirkungsweise
Schaltbild eines Universalmotors

Prinzip

Die stromdurchflossene Erregerwicklung im St√§nder erzeugt ein Magnetfeld, das durch das Eisenblechpaket verst√§rkt und zu definierten Polen geb√ľndelt wird. Das gleiche geschieht in der nachgeschalteten Ankerspulenwicklung. Dieses vom Stator aufgebaute Magnetfeld bewirkt, je nachdem wie die Pole eingestellt sind, dass es den Rotor hinter sich herzieht oder vor sich herschiebt. Dabei m√ľssen die Spulen bei jeder halben Umdrehung umgepolt werden, wozu ein Kommutator notwendig ist.

Betrachtet man eine nur ‚Äěeinpolige‚Äú Ausf√ľhrung, so stehen beide Magnetfelder quer zueinander. Gem√§√ü den physikalischen Gesetzen entstehen Kr√§fte, die die beiden Magnetfelder zu einem unipolaren gemeinsamen Feld zu vereinigen suchen. Durch diese Kraftwirkung wird der Anker gedreht. Da jedoch bei jeder Ankerdrehung am Kommutator ein elektrischer Polwechsel erfolgt, stellt sich der Ursprungszustand des Magnetfelds jedes Mal von neuem ein, so dass eine fortw√§hrende Drehung erfolgt, solange der Strom durch Anker- und Erregerwicklung flie√üt.

Die durch den Wechselstrom bewirkte fortw√§hrend wiederholte Umpolung hat keinen Einfluss auf das Laufverhalten, da stets beide Wicklungen gleichzeitig ‚Äěumgepolt‚Äú werden. Bei Betrieb mit sinusf√∂rmigem Wechselstrom folgt das Drehmoment einer Sinuskurve mit doppelter Netzfrequenz. Die Minima dieser Sinuskurve liegen leicht im Negativen. Bei Betrieb mit Gleichstrom erzeugt der Kommutatormotor ein zeitlich konstantes Drehmoment.

Stromwendung

Kommutator eines großen Elektromotors

Zur Stromwendung werden bei Motorbetrieb die B√ľrsten gegen die Drehrichtung verschoben, der Hauptpolfluss induziert in der kommutierenden Spule eine Bewegungsspannung, die die Kommutierung unterst√ľtzt. Bei Generatorbetrieb m√ľssen die B√ľrsten in Drehrichtung verschoben werden, dabei h√§ngt die B√ľrstenverschiebung vom Betriebszustand ab. Eine vollst√§ndige Kompensation ist nur in einem bestimmten Betriebspunkt m√∂glich (Nennpunkt). Eine B√ľrstenverschiebung zur Verbesserung der Stromwendung f√ľhrt aber zu einer Feldschw√§chung der Erregerpole (őėA hat Komponente entgegen őėE); Stabilit√§t der Maschine beachten.

Da sich der Kommutator nicht anpasst (also stets senkrecht zu den Hauptfeldlinien umschaltet und nicht senkrecht zu den ‚Äěeffektiven‚Äú Feldlinien), kann das B√ľrstenfeuer verringert werden, indem der B√ľrstentr√§ger 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 Kostengr√ľnden kaum noch durchgef√ľhrt. Stattdessen werden in gro√üen Maschinen Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen eingesetzt, die die Feldlinien gleichsam in die ideale Lage ‚Äězur√ľckbiegen‚Äú. Wendepole werden nur bei gr√∂√üeren Einphasen-Reihenschlussmotoren wie dem Bahnmotor verwendet. Kleine Einphasenreihenschlussmotoren haben keine Wendepole und keine Kompensationswicklung.

Probleme

Die sinusf√∂rmige Umpolung des Statorfeldes induziert im Rotor eine Spannung, die an den B√ľrsten abf√§llt. Diese transformatorische Spannung Utr kann durch B√ľrstenverschiebung nicht kompensiert werden. Daher gibt es, im Unterschied zur Gleichstrommaschine, eine induzierte Wechselspannung an den Kohleb√ľrsten, die zu einem st√§ndigen B√ľrstenfeuer und einem hohen Verschlei√ü der B√ľrsten f√ľhrt (Abhilfe schaffen jedoch Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen). Neben dem damit verbundenen Zwang zur Funkentst√∂rung dieses Motors durch Kondensatoren wird dadurch auch die Lebensdauer des Motors im Vergleich mit Drehfeldmaschinen stark reduziert.

Betriebsverhalten

Belastungskennlinie eines Universalmotors

Beim Einphasenreihenschlussmotor sinkt der Erregerstrom mit ab, das f√ľhrt zu einer Drehzahlsteigerung bei sinkendem Drehmoment. Er hat keine feste Grenzdrehzahl, wodurch gr√∂√üere Einheiten unbelastet bis zum Bersten des Ankers hochlaufen w√ľrden. Aus diesem Grund wird zur Absicherung bei einigen Motoren ein Fliehkraftschalter auf die Motorwelle montiert. Dieser Schalter schaltet bei kritischen Motordrehzahlen einen ohmschen Widerstand zu, oder schaltet den Motor ganz ab.

  • Im Stillstand beim Einschalten flie√üt der h√∂chste Strom durch Anker- und St√§nderwicklung.
  • Der Reihenschlussmotor hat von allen Elektromotoren das gr√∂√üte Anlauf-Drehmoment.
  • Im Leerlauf bzw. ohne oder mit geringer Belastung betriebene Reihenschlussmotoren gehen mit st√§ndig zunehmender Drehzahl durch.
  • Bei Belastung nimmt die Drehzahl ab, w√§hrend das Drehmoment durch die verringerte Drehzahl wieder ansteigt, es pendelt sich dabei ein stabiler Zustand ein.
  • Die Drehzahl ist sehr lastabh√§ngig.

Mathematische Betrachtung

Ersatzschaltbild

Ersatzschaltbild eines Einphasenreihenschlussmotors
Erregungsflussverkettung eines Universalmotors

Da die Maschine mit Wechselstrom betrieben wird, sind au√üer den ohmschen Widerst√§nden der Wicklungen auch alle induktiven Widerst√§nde zu ber√ľcksichtigen. Die Blindwiderst√§nde werden zu einer Reaktanz zusammengefasst:

X = XEh + XEŌÉ + XA + XW + XK
  • X ‚Ķ gesamte Reaktanz
  • XEh + XEŌÉ ‚Ķ Reaktanz der Erregerwicklung
  • XA ‚Ķ Reaktanz der Ankerwicklung
  • XW ‚Ķ Reaktanz der Wendepolwicklung (falls vorhanden)
  • XK ‚Ķ Reaktanz der Kompensationswicklung (falls vorhanden)

X ist von der S√§ttigung des magnetischen Kreises abh√§ngig (vor allem XE, h Hauptfeld, ŌÉ Streufeld). X sinkt daher mit zunehmender Belastung. X wird f√ľr die weitere Ableitung konstant angenommen.

Da die Achse der Ankerwicklung senkrecht zu der Erregerwicklung steht, wird in der Ankerwicklung keine transformatorische Spannung induziert, das heißt, nur die Bewegungsspannung ist gleichphasig mit dem Feld und Strom).

Drehmoment

Die Drehmomentengleichung ist gleich wie bei der Gleichstrommaschine. Hier sind aber f√ľr Strom und Spannung die Effektivwerte einzusetzen.

M_\mathrm{i}= \frac{U_\mathrm{q}I}{2\pi n}
  • Mi ‚Ķ inneres Drehmoment
  • Uq ‚Ķ Effektivwert der Ankerspannung
  • I ‚Ķ Effektivwert des Ankerstroms
  • n ‚Ķ Drehzahl

Bei Belastung der Maschine gilt:

Mi = MW + MV
  • MW ‚Ķ Belastungsmoment
  • MV ‚Ķ Verlustmoment

Aufgrund des Tr√§gheitsmoments der Maschine und der Last stellt sich eine mittlere Drehzahl ein. Infolge des pulsierenden Drehmomentes ist dieser mittleren Drehzahl aber eine pendelnde Drehzahl √ľberlagert.

Drehmomentengleichung aus der inneren Leistung abgeleitet

p_\mathrm{i}(t) = u_\mathrm{q}(t) \cdot i(t)
m_\mathrm{i}(t)= \frac{p_\mathrm{i}(t)}{2\pi n}

Das Moment mi(t) pulsiert mit doppelter Netzfrequenz.

In kommutierender Spule induzierte Spannungen

Transformatorische Spannung

Die Spulenachse der kommutierenden Spule stimmt mit der Erregerfeldachse √ľberein, das hei√üt, in der kommutierenden Spule wird vom ver√§nderlichen Erregerfeld eine transformatorische Spannung induziert.

u_\mathrm{tr}=N_\mathrm{sp}\frac{d\Phi}{dt} \Rightarrow u_\mathrm{tr}=4{,}44f_\mathrm{1}N_\mathrm{sp}\Phi=j c_\mathrm{tr}f_\mathrm{1}I
  • utr ‚Ķ Transformatorische Spannung
  • ő¶ ‚Ķ magnetischer Fluss
  • f1 ‚Ķ Netzfrequenz
  • Nsp ‚Ķ Windungszahl pro Spule

Die transformatorische Spannung ist proportional zur Netzfrequenz, aber unabh√§ngig von der Drehzahl (sie tritt auch im Stillstand auf) und eilt dem Strom 90¬į vor.

Reaktanzspannung

Die Reaktanzspannung wirkt der Strom√§nderung entgegen. Kommutierungszeit = tK. Die Strom√§nderung őĒI h√§ngt vom Kommutierungszeitpunkt ab ‚Üí Reaktanzspannung h√§ngt vom Kommutierungszeitpunkt ab.

U_\mathrm{r}=j c_\mathrm{tr}f_\mathrm{1}I=L_\mathrm{\sigma}\frac{\Delta I}{t_\mathrm{K}}=-c_\mathrm{R}nI
  • Ur ‚Ķ Reaktanzspannung

Bewegungsspannung

Da das Wendefeld zeitlich sinusförmig variiert, hängt auch die induzierte Bewegungsspannung vom Kommutierungszeitpunkt ab.

uw(t) = 2NsplvBw(t)
U_\mathrm{w}=\pm c_\mathrm{w}nI
  • + mit Wendepol
  • ‚ąí ohne Wendepol

Mit den Wendepolen kann die transformatorische Spannung nicht kompensiert werden.

Abhilfe
Wendepole + Parallelwiderstand

Die Funkenspannung kann nur f√ľr eine bestimmte Drehzahl voll kompensiert werden. Im Stillstand ist die transformatorische Spannung durch die Wendepole nicht kompensierbar, das hei√üt, Utr muss klein gehalten werden.

Utr = jctrf1I =
Abhilfe

Stromortskurve

Mit der Stromortskurve erh√§lt man eine Beziehung f√ľr die Stromzeiger zwischen der Impedanz und mit der Drehzahl n als reelle Variable. Wie bei der Asynchronmaschine entsteht durch Invertierung ein Kreis. Jedem Stromzeiger kann mit einem gew√§hlten Widerstandsma√üstab eine feste Drehzahl zugeordnet werden. Die untere H√§lfte kann nicht wie bei der Asynchronmaschine zur Konstruktion der Strompfeile im Generatorbetrieb verwendet werden.

Der maximale Strom ergibt sich f√ľr:

I_\mathrm{max}=\frac{U}{jX}
I=\frac{U}{R+a\frac{n}{n_\mathrm{1}}+jX}=\frac{U}{Z}=\frac{U}{\left| Z \right| \exp(-j \varphi)}
  • I ‚Ķ Strom
  • U ‚Ķ Spannung
  • Z ‚Ķ Impedanz
  • n1 ‚Ķ fiktive synchrone Drehzahl (die ein Synchronmotor mit demselben Aufbau h√§tte)

n_\mathrm{1}=\frac{f_\mathrm{1}}{p}

  • f1 ‚Ķ Frequenz
  • p ‚Ķ Polpaarzahl
a=\frac{2N}{\pi N_\mathrm{E}X_\mathrm{Eh}}
  • NE ‚Ķ Erregerwindungszahl
  • XEh ‚Ķ Reaktanz der Erregerwicklung
Z=\left| Z \right| \exp(j \varphi)
  • \varphi ‚Ķ Phasenverschiebungswinkel
\left| Z \right|=\sqrt{\left(R+a\frac{n}{n_\mathrm{1}}\right)^2+X^2}
  • X ‚Ķ Reaktanz
\tan \varphi= \frac{X}{R+ a\frac{n}n_\mathrm{1}}

Besonderheiten

Besonderheiten gegen√ľber Gleichstrommotoren

Wirkschaltplan eines Universalmotors mit Zusatzwicklungen
Betriebskennlinie bei Gleichstrom bei Wechselstrom

Das magnetische Feld eines Wechselstrombahnmotors pulsiert mit der Frequenz f und induziert in den unter den B√ľrsten kurzgeschlossenen L√§uferwindungen eine f√ľr die Kommutierung sch√§dliche Spannung. Diese Spannung hei√üt transformatorische Spannung (Utr), diese ist proportional abh√§ngig von der Frequenz, der Windungszahl und dem magnetischen Fluss. Die anderen in der kurzgeschlossenen Windung auftretenden Spannungen sind:

  • die Reaktanzspannung (Ur), die vom L√§uferstrom und der Drehzahl proportional abh√§ngig ist (die Reaktanzspannung entsteht durch das Umpolen des Streuflusses der kommutierenden Spule)
  • die vom nicht kompensierten L√§uferrestfeld herr√ľhrende Spannung (Ua), die ebenfalls vom L√§uferstrom und der Drehzahl abh√§ngig ist

Diese Spannungen werden durch die Wendefeldspannung, die ebenfalls vom L√§uferstrom und der Drehzahl abh√§ngig ist, kompensiert. Utr', Ur und Ua bilden zusammen die so genannte Funkenspannung Uf. Die transformatorische Spannung l√§sst sich mit einfachen Mitteln nicht f√ľr den gesamten Drehzahlbereich kompensieren. W√ľrde man die Wendefeldspannung in der Phase verschieben, so k√∂nnte man die Funkenspannung vollkommen kompensieren. Dieses ist durch das Parallelschalten eines ohmschen Widerstandes (Wendepol-Shuntwiderstand), zur Wendepolwicklung, f√ľr einen bestimmten Arbeitspunkt, m√∂glich.

Die transformatorische Spannung ist beim Anlaufen am gr√∂√üten und darf bestimmte Werte nicht √ľberschreiten. Um Utr klein zu halten, k√∂nnen folgende Ma√ünahmen ergriffen werden. Diese finden in der Regel nur bei gro√üen Motoren Anwendung:

  • Verkleinern des Erregerflusses je Pol (das f√ľhrt zu gro√üen Polzahlen), um gro√üe Leistungen zu erhalten
  • sowie Windungszahl gleich 1 und Schleifenwicklung. Das erfordert wiederum eine hohe L√§uferspulenzahl und deshalb eine gro√üe Lamellenzahl, die aber aus mechanischen Gr√ľnden begrenzt ist.

Damit der durch die transformatorische Spannung angetriebene Strom verringert wird, verwendet man teilweise Spreizkohleb√ľrsten, die den Widerstand zwischen den kurzgeschlossenen Spulen am Kollektor erh√∂hen.

Damit der Leistungsfaktor m√∂glichst nahe bei 1 liegt, muss die rotatorische Spannung gro√ü sein. Das ist durch eine gro√üe Lamellenanzahl, eine niedrige Frequenz und eine hohe Drehzahl m√∂glich. Die Leistung ist proportional der Polpaarzahl, dem magnetischen Fluss, dem L√§uferstrombelag und der L√§uferumfangsgeschwindigkeit. Die Polpaarzahl ist wegen der konstruktiv m√∂glichen B√ľrstenhalterteilung begrenzt. Wegen der transformatorischen Spannung ist der magnetische Fluss, aus thermischen Gr√ľnden der L√§uferstrombelag und aus mechanischen Gr√ľnden die L√§uferumfangsgeschwindigkeit begrenzt. Die Motorspannung wird durch die Lamellenanzahl und die Polpaarzahl (wegen der zul√§ssigen Lamellenspannung) festgelegt. Hervorgerufen durch die induktiven Widerst√§nde tritt eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung auf. Das pulsierende Drehmoment von doppelter Netzfrequenz erh√§lt dadurch einen negativen Anteil in Abh√§ngigkeit von der Phasenverschiebung. Die Umkehr der Drehmomentrichtung f√ľhrt zu gro√üen mechanischen Beanspruchungen und zu einem R√ľtteln der Motoren, besonders beim Anlauf.

Einen Gleichstromnebenschlu√ümotor mit Wechselstrom zu betreiben, w√§re somit unsinnig, da durch die Induktivit√§t des Stators eine Phasendifferenz zwischen Stator- und Rotorstrom von 90¬į entstehen w√ľrde, die das erzeugte mittlere Moment zu Null machen w√ľrde.

Unterschiede zwischen 16 2/3- und 50-Hertz-Motoren

Bahnmotor im Schnitt

F√ľr 50-Hertz-Motoren gelten dieselben Gesetzm√§√üigkeiten wie f√ľr 16-2/3-Hertz-Motoren, nur spielt hierbei die transformatorische Spannung eine noch gr√∂√üere Rolle. Wegen der dreifachen Frequenz w√ľrde diese auch dreimal so gro√ü werden. Deshalb muss man besondere Ma√ünahmen ergreifen, um dieses zu verhindern. Bei gleichen Bauprinzipien kann man, bei gleicher transformatorischer Spannung, nur 1/3 der Leistung von 16 2/3-Hertz-Motoren erreichen. Um dieses zu verhindern muss man den magnetischen Fluss auf 1/3 gegen√ľber 16-2/3-Hz-Motoren verringern, in dem man entweder die Eisenl√§nge auf 1/3 verk√ľrzt oder eine dreifache Polpaarzahl. Die Polpaarzahl kann aber nicht beliebig erh√∂ht werden (B√ľrstenhalterteilung¬†!). Die niedrige Frequenz von 16 2/3 Hertz erleichtert die Kommutierung.

Wenn die Eisenl√§nge jedoch auf 1/3 verk√ľrzt ausgef√ľhrt wird und die Polpaarzahl beibehalten wird, so lassen sich zwei Teilmotoren auf einer gemeinsamen Welle unterbringen, diese Motoren nennt man dann Tandemmotoren. Mit diesen Motoren lassen sich dann bei gleichen Einbauverh√§ltnissen 2/3 der Leistung von 16 2/3-Hertz-Motoren erreichen. Derartige Tandemmotoren sind allerdings √§u√üerst kompliziert und teuer. Letztlich haben sie, wie auch 16-2/3-Hertz-Motoren, an Bedeutung verloren, da Drehstromasynchronantriebe einige Vorteile bieten.

Drehzahlstellung

Regelung der Klemmenspannung
U < UN → Verringerung der Drehzahl. Die Drehzahlkennlinien werden nach unten verschoben. Bei kleinen Spannungen haben X und R einen größeren Einfluss. Der hyperbolische Verlauf der Kennlinien verändert sich etwas.
Gleichstromzusatzwicklung
Im Gleichstrombetrieb fallen die induktiven Spannungsabfälle weg. Bei gleichen Betriebsbedingungen (Spannung, Strom) ist daher die Leerlaufdrehzahl bei Gleichstrom größer. Durch eine Anzapfung der Erregerwicklung können die Leerlaufdrehzahlen gleich gemacht werden.
Wicklungsanzapfungen
Wird die Windungszahl der Erregerwicklung vermindert, sinkt bei konstantem Strom das Erregerfeld ‚Üí die Drehzahl steigt an.
Vorwiderstand
Durch einen Vorwiderstand wird bei konstantem Strom die Maschinenspannung reduziert, die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie wird nach unten verschoben. Durch diese Drehzahlstellmethode sinkt der Wirkungsgrad, weil Spannung am Vorwiderstand abfällt.
Parallelwiderstand
Der Eregerstrom und der Erregerfluss werden durch den Strom √ľber den Parallelwiderstand verst√§rkt. Die Drehzahl-Drehmomentenkennlinien werden f√ľr kleineren Parallelwiderstand nach unten verschoben und flacher. Da auch im Leerlauf ein Erregerstrom flie√üt (Vorwiderstand), wird die Leerlaufdrehzahl begrenzt.
Barkhausenschaltung
Kombination von Vorwiderstand und Parallelwiderstand erm√∂glicht einen gro√üen Drehzahlbereich. √úber den Parallelwiderstand wird die Leerlaufdrehzahl eingestellt, √ľber den Vorwiderstand die Kennlinie verschoben.
Phasenanschnittsteuerung
Mit der Phasenanschnittsteuerung ist eine praktisch verlustlose und feinstufige Regelung der Drehzahl m√∂glich. W√§hrend einer Halbperiode wird der Strom jeweils f√ľr eine bestimmte Zeit unterbrochen, das hei√üt, Effektivwert von Strom und Spannung werden ver√§ndert, dies f√ľhrt zu einer √Ąnderung des Moments und der Drehzahl.

Vor- und Nachteile

Vorteile

  • Gute Drehzahlstellm√∂glichkeiten
  • gro√ües Moment bei kleiner Drehzahl
  • gro√ües Anzugsmoment (Vorteilhaft f√ľr R√ľhrwerke,Schalter;Bohrmaschinen)

Nachteile

  • h√∂here Herstellungskosten als Asynchronmaschine
  • Drehzahl√§nderung bei Belastung (hyperbolischer Verlauf)‚Üí f√ľr konstante Drehzahl ist eine Regelung n√∂tig
  • B√ľrstenapparat, Kommutator wartungsbed√ľrftig
  • B√ľrstenfeuer
  • Funkenentst√∂rung n√∂tig

Anwendungsbereiche

Als Bahnmotoren wurden fr√ľher Einphasenreihenschlussmotoren (mit kleinen Wendepolen und Kompensationswicklungen) eingesetzt. Dazu wurde die Betriebsspannung von 15000 Volt auf ca. 20 Volt bis ca. 600 Volt mittels Traktionstransformator und zugeh√∂rigem Stufenw√§hler heruntertransformiert. Zur Vermeidung von unsymmetrischer Belastung d√ľrfen gro√üe Einphasen-Reihenschlussmotoren nicht am √∂ffentlichen Netz betrieben werden.

Heute geh√∂ren Einphasenreihenschlussmotoren als Universalmotoren zu den wichtigsten Kleinmotoren. Neben dem Antrieb f√ľr Elektrowerkzeuge wird dieser Motor in praktisch jedem elektrischen Haushaltsger√§t eingesetzt. Oft sind diese Ger√§te mit einem Stufenschalter ausger√ľstet, mit dem f√ľr verschiedene Belastungsf√§lle zwischen Anzapfungen der Feldwicklung umgeschaltet werden kann. Ihre geringe Lebensdauer verbietet aber ihren Dauereinsatz.

Auch in Waschmaschinen sind sie oft zu finden ‚Ästhierf√ľr m√ľssen sie jedoch umpolbar und mit einem Tachogenerator ausgestattet sein, um Drehrichtung und Drehzahl steuern zu k√∂nnen. Der Einsatzvorteil besteht hier darin, mit einem einfachen Motor ohne Getriebeumschaltung sowohl waschen als auch schleudern zu k√∂nnen.

Anwendungsbeispiele

Haushaltsgeräte
  • Staubsauger
  • R√ľhr-, Knet- und Schneidemaschinen
  • Mixer
  • Waschmaschinen
Elektrowerkzeuge
  • Handbohrmaschinen
  • Winkelschleifer
  • Handkreiss√§gen

Normen und Regelwerke

  • EN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen f√ľr umlaufende elektrische Maschinen
  • EN 60 034 Teil 8 Anschlussbezeichnungen und Drehsinn f√ľr elektrische Maschinen
  • DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufende elektrische Maschinen
  • EN 60034-5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen
  • EN 60034-6 K√ľhlarten, drehende elektrische Maschinen

Literatur

  • Hans G√ľnter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterpr√ľfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, W√ľrzburg ISBN 3-8023-0725-9
  • G√ľnter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9
  • Detlev Roseburg: Elektrische Maschinen und Antriebe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 1999, ISBN 3-446-21004-0
  • A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1965
  • Ernst H√∂rnemann, Heinrich H√ľbscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig 1998, ISBN 3-14-221730-4
  • Andreas Kremser: Elektrische Maschinen und Antriebe, Grundlagen, Motoren und Anwendungen. 2. Auflage, Teubner Verlag, Stuttgart 2004, ISBN 3-519-16188-5

Siehe auch

Weblinks


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