Gleichstrommaschinen: Dynamos und Motoren erklärt

Aufbau und Funktionsweise von Dynamos

Dynamos: Jedes Terminal der Schleife ist an einen leitenden metallischen Ring angeschlossen, an dem zwei Bürsten den induzierten Strom sammeln und an die externe Beschaltung liefern. Um die Richtung des induzierten Stroms zu bestimmen, wird die Drei-Finger-Regel angewendet.

Korrektur Delgado: Gleichrichtung

Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird durch den Kollektor (Sammler) mit Lamellen erreicht. Bei einer Waschmaschine werden beispielsweise zwei Kerne miteinander verbunden; wir nutzen zwei Bürsten, die den Strom sammeln. Der Strom durch die Spule ist wechselnd, aber der Kollektor aus isolierten Segmenten übernimmt die Gleichrichterfunktion und hält den Strom stetig.

Bewegliche Teile: Der Induktor

Der Induktor ist feststehend und befindet sich im Stator. Er besteht aus einem zweipoligen Elektromagneten bei zweipoligen Maschinen oder mehreren Polpaaren bei multipolaren Maschinen.

Der Anker und der Kollektor

Der Anker ist beweglich und befindet sich im Rotor. Er besteht aus einem zylindrischen Magnetkern, der durch gestapelte Elektrobleche gebildet wird. Der Kern hat eine Reihe von Nuten, welche die Ankerwicklungen aufnehmen. Der Kollektor besteht aus Kupferlamellen, um die verschiedenen Schaltungen des Ankers zu verbinden. Der Strom wird am Kollektor mithilfe von zwei Graphit-Schleifkontakten (Bürsten) gesammelt.

Induzierte Vorgänge und Funkenbildung

Induzierter Vorgang: Im Anker entsteht ein magnetischer Fluss. Die Wechselwirkung zwischen der Induktivität und dem induzierten Feld verursacht Funkenprobleme an den Bürsten (Escobillas). Hierfür gibt es zwei Lösungen:

• Bürstenverschiebung: Die Abweichung hängt von der auftretenden Intensität ab.
• Wendepole (Schaltpole): Sie erzeugen ein Feld, welches das induzierte Feld kompensiert (dies ist die beste Methode).

Kompensationswicklungen und Erregung

Kompensationswicklungen: Ihre Aufgabe ist es, Verzerrungen des Magnetfeldes zu beseitigen; sie sind in Reihe mit den Wendepolen und dem Anker verbunden. Erregung der Induktivitäten (Speisung der Elektromagnete):

• Unabhängige Erregung (Fremderregung): Ein Elektromagnet wird aus einer externen Quelle (z. B. Batterie) gespeist.
• Selbsterregung: Die Energie stammt aus der Maschine selbst. Hierbei unterscheidet man: Nebenschluss (Shunt/parallel), Reihenschluss (Serie) und Verbundschaltung (Compound/gemischt).

Gleichstrommotoren: Prinzip und Betrieb

Start und Funktionsweise

Der Betrieb basiert auf den Kräften, die in den Leitern auftreten, wenn diese von elektrischem Strom durchflossen werden und sich in einem Magnetfeld befinden. Hier gilt die Linke-Hand-Regel: F = B × L × I.

Aufbau und Ankerrückwirkung

Konstruktion: Genau wie ein Gleichstromgenerator kann die Maschine als Motor oder als Generator betrieben werden. Man benötigt drei Hauptteile: den Induktor, den Ankerkreis und den Kollektor mit Bürsten. Ankerrückwirkung: Beim Betrieb entwickelt der Motor ein Anker-Quermagnetfeld, das von seiner ursprünglichen Position zum Hauptlager in der Induktivität abweicht und Funken am Kollektor verursacht. Um die schädlichen Wirkungen der Ankerrückwirkung zu verringern, werden Wendepole in Reihe mit dem Anker geschaltet. Man kann sowohl die Polarität des Stroms durch den Anker als auch die Pole wechseln.

Motorleistung und Wirkungsgrad

Leistung: Energie geht durch den Joule-Effekt verloren (Wärmeentwicklung in den Wicklungen), zudem durch Reibung in den Lagern, Belüftung sowie durch Hysterese und Wirbelströme (parasitäre Verluste). Der Wirkungsgrad gibt das prozentuale Verhältnis zwischen der abgegebenen Leistung des Motors und der aufgenommenen Gesamtleistung an.

Drehmoment (Torque)

Das Drehmoment ist das Produkt aus Kraft und Radius (C = F × r). Es kann als Verhältnis zwischen der im Rotor entwickelten effektiven Leistung und der Winkelgeschwindigkeit ausgedrückt werden. Es ist proportional zum Ankerstrom und zum magnetischen Fluss des Induktors.

Anschlussarten von Gleichstrommotoren

Fremderregter Motor und Nebenschluss

• Unabhängig (Fremderregt): Gute Drehzahlregelung und ähnliche Leistungsmerkmale wie der Nebenschlussmotor.
• Nebenschluss (Shunt): Ein Widerstand wird eingesetzt, um den Anlaufstrom zu begrenzen, ein weiterer zur Regelung der magnetischen Induktion. Die Geschwindigkeit bleibt in jedem Lastsystem praktisch konstant. Bei Hochleistungsmaschinen werden Kompensationswicklungen genutzt. Das Drehmoment ist direkt proportional zum Ankerstrom. Anwendung: Werkzeugmaschinen.

Reihenschluss- und Doppelschlussmotor

• Reihenschluss (Serie): Benötigt in der Regel einen Anlasswiderstand. Er besitzt ein sehr hohes Anlaufdrehmoment. Ein Leerlaufbetrieb ist gefährlich, da der Motor "durchgehen" (embalan) kann. Anwendung: Traktion bei Straßenbahnen und Zügen. Die Drehzahlregelung erfolgt über einen Regelwiderstand parallel zur Feldwicklung.
• Doppelschluss (Compound): Die Feldwicklung ist in zwei Teile unterteilt (Reihe und Parallel). Der Motor geht im Leerlauf nicht durch. Die Geschwindigkeit ist stabil und variiert nur wenig mit der Last. Er bietet ein besseres Anlaufmoment als der Nebenschlussmotor. Anwendung: Hebezeuge.