Elektromotoren: Bauarten, Betrieb, Regelung und Bremsen

Elektromotoren

Die Elektromotoren lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren. Grundsätzlich werden sie in DC-Motoren (Gleichstrommotoren) und AC-Motoren (Wechselstrommotoren) eingeteilt. Es gibt außerdem Universalmotoren, die sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betrieben werden können.

Klassifikation nach Bau- und Betriebsarten

Die Gleichstrommotoren werden nach der Art der Erregung klassifiziert: fremderregt (unabhängig), Reihenschluss (Serie), Nebenschluss (Shunt), gemischt (Verbindung, z. B. Lang- oder Kurzschlussverbindung) und permanentmagneterregt (Permanentmagneten erzeugen das Feld).

Die Wechselstrommotoren werden nach Drehzahl (synchron, asynchron), nach Rotorbauart (Wicklungsrotor, kurzgeschlossener Rotor bzw. Käfigläufer) und nach Phasenanzahl bzw. Wicklungsart (Einphasenmotoren mit Hilfswicklung und Kondensator, Universalmotoren, Drehstrommotoren) klassifiziert.

Gleichstrommotoren

Aufbau eines Gleichstrommotors

Gleichstrommotoren arbeiten nach den Grundsätzen der Lorentzkraft und der induzierten elektromotorischen Kraft (Gegen-EMK). Ein typischer DC-Motor besteht aus zwei Hauptbaugruppen: Stator (Induktor) und Rotor (Anker).

• Induktor (Stator): Seine Aufgabe ist es, das magnetische Feld zu erzeugen. Er ist im festen Teil des Motors untergebracht. Die Feldpolschuhe enthalten Spulen aus Kupferdraht, die um ferromagnetische Polkerne gewickelt sind. Alternativ kann das Feld durch Permanentmagnete erzeugt werden.
• Anker (Rotor): Er erzeugt das von der Ankerwicklung beeinflusste Magnetfeld, das dem Motor das Drehmoment liefert. Die Ankerwicklungen bestehen aus Kupferleitern, die in Nuten eines zylindrischen Lamellenpakets aus ferromagnetischem Material angeordnet sind. Dieses Paket bildet das drehbare Teil bzw. den Rotor.
• Kollektor und Bürsten: Die Anfänge und Enden der Ankerwicklungen sind elektrisch mit einem dünnen, rotierenden Kupferteil verbunden, dem sogenannten Kollektor. Der Kollektor ist in Segmente unterteilt und elektrisch voneinander isoliert. Die Stromzuführung erfolgt über Bürsten, meist aus Graphit, die in Kontakt mit dem Kollektor stehen und so die äußere Verschaltung mit dem Innenkreis der Maschine verbinden.

Arten von Gleichstrommotoren

Ein DC-Motor benötigt zwei elektrische Kreise: den Erregerkreis (Feld) und den Ankerkreis. Je nachdem, wie diese miteinander verbunden sind, entstehen verschiedene Bauarten:

• Fremderregter Motor: Die Ankerwicklung (A, B) und die Feldwicklung (J, K) werden von verschiedenen Spannungsquellen bzw. unabhängigen Stromquellen gespeist. Strom und Feldstärke sind getrennt regelbar.
• Nebenschluss- (Shunt-) Motor: Die Erregerwicklung (C, D) ist parallel zur Ankerwicklung (A, B) an derselben Versorgungsspannung angeschlossen.
• Reihenschluss- (Serie-) Motor: Der Erreger (E, F) ist in Reihe mit dem Anker (A, B) geschaltet, sodass Feldstrom und Ankerstrom gleich sind.
• Verbindungs- bzw. Kompensationsmotor (Compound): Kombinationen von Reihen- und Nebenschluss (lang- oder kurzgeschlossene Verbindung) sind möglich und werden je nach Anwendung eingesetzt.

Merkmale der DC-Motoren

Die Leistungskennlinien von Gleichstrommotoren hängen von der Art der Erregung ab und liefern Informationen über das Verhalten unter Arbeitsbedingungen. Wichtige Kennlinien sind:

• Drehzahl: n = f(I)
• Drehmoment: M = f(I)
• Drehmoment als Funktion der Drehzahl: M = f(n)

Shunt-Motoren

• a) Drehzahl: n = f(I_i)
• b) Drehmoment: M_i = f(I_i)
• c) Mechanische Kennlinie: M = f(n)

Serienmotoren

• a) Drehzahl: n = f(I_i)
• b) Drehmomentkennlinie: M = f(I_i)
• c) Mechanische Kennlinie: M = f(n)

Anlauf von DC-Motoren

Die Anfangsphase beim Start eines Motors ist der Anlauf. Typisch ist, dass entweder die angelegte Spannung oder der Ankerkreiswiderstand verändert wird, um hohe Anlaufströme zu begrenzen. Dazu wird ein schaltbarer Widerstand, der sogenannte Anlasser- bzw. Regelwiderstand (Starter), zwischen Netz und Anker eingefügt. Während der Beschleunigung steigt die Gegen-EMK (EMK) an und der Strom nimmt ab. Sobald die Drehzahl erreicht ist, wird der Anlasserwiderstand stufenweise herausgenommen.

Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung soll die Drehzahl auf einen vorgegebenen Wert halten. Die Regelung kann entweder über die Ankerspannung oder über die Feldstärke erfolgen:

• Regelung über den Anker: Ein Widerstand in Serie mit dem Anker (Regelung durch Widerstand) oder die Variation der Ankerspannung (spannungsgeführte Regelung).
• Regelung über das Feld: Änderung des Erregerstroms durch einen Regelwiderstand in der Feldwicklung. Je nach Motortyp wird die eine oder andere Methode bevorzugt.

Änderung der Drehrichtung

Ein Elektromotor kann in beiden Drehrichtungen laufen. Die Drehrichtung des Drehmoments hängt von der Richtung des Magnetfelds und der Richtung des Stromes in der Ankerwicklung ab. Deshalb genügt es, die Anschlüsse von Feld oder Anker (je nach Motortyp) zu vertauschen. Empfohlen wird, die Richtung nur im Stillstand zu ändern. Wird eine Richtungsumkehr unter Last notwendig, müssen vorher alle Starterwiderstände eingefügt werden, um hohe Ströme zu vermeiden.

Bremsen von DC-Motoren

In vielen Anwendungen ist es notwendig, den Motor kurz- oder langfristig anzuhalten oder zu verzögern. Das Bremsen von Gleichstrommotoren nutzt die Rückführbarkeit dieser Maschinen: Beim Abschalten können sie als Generator wirken und damit das Drehmoment umkehren. Elektrische Bremsen lassen sich im Wesentlichen auf zwei Arten realisieren:

• Rheostatische Bremsung (Bremswiderstand): Die Energie wird beim Generatorbetrieb über Bremswiderstände (häufig dieselben Widerstände wie beim Anlauf) abgeleitet.
• Regenerative Bremsung (Nutzbremsung): Die erzeugte Energie wird in das Netz zurückgeführt, sodass die Maschine die Leistung an die Versorgung zurückgibt.

Hinweis: Die Begriffe und die Auslegung variieren je nach konkretem Motorentyp und Anwendung. Für Sicherheit und optimale Leistungsempfehlungen sind die jeweiligen Herstellerangaben und Normen zu beachten.