Elektromotoren und Aktoren

Vergleich der Motorkonzepte

Thu, 1 Dec 2022 08:54:49 +0100

Wir möchten im folgenden die Vor- und Nachteile der 3 grundlegenden Motorprinzipien für die Anwendung als Richtantrieb mit sehr hoher Winkelauflösung betrachten.
Bei Synchronmotoren wie bei 3-phasigen Synchronmotoren oder auch Schrittmotoren kann die Phasenlage unabhängig von der Stromhöhe (und damit Drehmoment) eingestellt werden.

Der 3-phasige Synchronmotor

Abb. Synchronmotor
Der 3-phasige Synchronmotor hat 3 um jeweils 120° zueinander versetzte Spulen. Im Idealfall werden 3 Sinus-Kurven mit 120° Phasenversatz verwendet … sprich ein Sinus wird vorgegeben und die beiden anderen Sinus-Verläufe sind direkt davon abhängig. Dieser Sinusverlauf wird beim Halten einer bestimmten Position stehen bleiben bzw. sich nicht weiterbewegen. Durch die Amplitude der Spannung der 3 Sinuswellen wird die Stromstärke beieinflusst … denn durch Erzeugen einer Spannung stellt sich abhängig vom Widerstand und der Induktivität ein bestimmter Strom ein. Je höher die Drehzahl umso höher ist die induzierte Gegenspannung (Gegen-EMK) und umso geringer wird der Strom der durch die Spulen fließt. Dieser Strom erzeugt in einem konstanten Verhältnis ein Drehmoment.

Im Falle wir haben eine bestimmte Position erreicht und möchten diese halten, so fällt die Gegen-EMK weg und der Strom wird nur durch die internen Widerstände durch den Spulendraht bestimmt. Je höher der Strom umso mehr Haltemoment hat der Motor, um den Läufer bei Störungen auf Position zu halten. Das Drehfeld steht in diesem Falle. Das Drehfeld hat in diesem Falle ein festes Spannungsverhältnis der 3 Phasen-Spannungen zueinander. Wird an diesem Spannungsverhältnis etwas verändert so ändert sich das Drehfeld und der Motor dreht weiter.

Da die Motorwicklungen bzw. Spulen im Prinzip analoge Bauteile sind, können damit beliebige Spannungshöhen (Drehmoment) und Änderungen der Spannungsverhältnisse (Positioniergenauigkeit) auf dieses analoge Bauteil gegeben werden. Dieses verhält sich dementsprechend seiner Charakteristik. In der Realität wird die Spannung von einem Motor-Controller erzeugt der auf Basis einer Gleichspannung (Zwischenkreissspannung) die 3 Phasenspannungen mittels PWM-Verfahren erzeugt. Beim PWM-Verfahren wird mit der sogenannten PWM-Frequenz mittels eines MOSFETs oder eines anderen leistungselektronischen Bauteil diese Spannung ein- und ausgeschaltet. Man spricht vom Tastverhältnis vom zeitlichen Verhältnis des EIN-Zustand zum AUS-Zustand … bei 50% Tastverhältnis ist innerhalb eines PWM-Intervalls die EIN-Zeit genauso lange wie die AUS-Zeit. Idealerweise kann eine Elektronik zwischen Tastverhältnis 0% (komplett aus) und 100% (komplett ein) geschaltet werden.

Warum wird jetzt immer nur ein- und ausgeschaltet, wenn wir doch einen Sinus erzeugen möchten? Nun, das verhält sich so: stellen wir uns einen kleinen Schaltkreis vor der nur aus einer Spannungsquelle, einem ohm’schen Widerstand und einer Induktivität besteht. Wird die Spannung angelegt so braucht es eine Weile bis der Strom hochfährt … denn die Induktivität schluckt anfangs den Strom und lädt damit ein magnetisches Feld auf. Ist dieses mit fortschreitender Zeit aufgeladen so läßt sie den Strom durch und der Strom im Stromkreis erhöht sich bis er irgendwann an einem Maximum ist.

Diesen kleinen Schaltkreis denken wir uns jetzt 3x im Motor … er stellt eine Motorspulenwicklung dar, der 3x um 120° phasenversetzt aufgebaut ist. Und die Spannungsquelle ist unser Leistungsträger-MOSFET. Durch das häufige Schalten liegt eine zeitlich immer unterschiedliche Spannung an. Ist die Spannung höher als die Spulenspannung so wird das Magnetfeld geladen, ist sie niedriger wird der Strom durch den Stromkreis weiter aus dem Abbau des Magnetfeld aufrecht gehalten. Aus einem getakteten Strom wird ein Strom mit kontinuierlichem Verlauf.

Wichtig für das Haltemoment ist der im gleichen Verhältnis zueinander bleibende Strom, wohingegen für die Weiterfahrt durch die Änderung des Drehfelds die richtige Änderung der Stromverhältnisse zueinander wichtig ist.

Die PWM-Frequenz sollte ungefähr 10x höher als die Sinus-Frequenz der höchsten Drehzahl des Motors sein. Bei Synchronmotoren mit 6 Polpaaren ergibt sich also eine minimale PWM-Frequenz von 6 x 10 x 10000 / 60 = 10 kHz (6 Polpaare, 10x höher, 10000 U/min max. Motordrehzahl und die Umrechnung auf Sekunde).

In der Realität verfügt jeder der obigen kleinen Stromkreise über einen eigenen Stromregler, der sicherstellt dass die Ströme im gewünschten Verhältnis zueinander stehen. Wie gut dies gelingt hängt von der Reglereinstellung ab. Die Rotorlage muss dazu auch überwacht werden und geht als Regelgröße in die Stromregelung mit ein. Dazu werden entweder Winkelgeber (sogenannte optische oder induktive Encoder) oder Resolver (3-phasige Dauermagnete erzeugen 3 induzierte Spannungen) eingesetzt.

Für das Feinrichten hängt praktisch alles davon ab wie fein die aktuelle Lage gemessen werden kann, damit der Lageregler die Position gezielt halten kann. Ein 12bit Encoder kann also pro Umdrehung 2hoch12 = 4096 Winkelpositionen erfassen … also 360/4096 = 0,087890625°.

Der 2-phasige Schrittmotor

Abb. Schrittmotor
Der Schrittmotor verfügt in der üblichen Bauart über 200 Vollschritte pro Umdrehung, also 1,8° Winkelauflösung. Hierbei werden dann digital die Spulen entweder mit vollem Strom oder keinem Strom bestromt. Wird aber mittels PWM-Verfahren die Spannung auch dazwischen ausgegeben kann wieder wie vorher über 2 Stromkreise jede beliebige Spannung gestellt werden. Ein Stromregler muss die Ströme regeln um ein definiertes Stromverhältnis zu erreichen … allerdings nur 2 Stränge anstelle 3 Stränge.

Wie beim Synchronmotor sind die Spulen analoge Bauteile, die praktisch jede Stromhöhe bekommen können. Ein Lagegeber muss auch hier die Lage überwachen und entsprechend den Stromregler mit Lageinformationen versorgen. Auch hier kann das Haltemoment über die Stromhöhe und das feste Stromhöhenverhältnis zueinander eingestellt werden, die Änderung des Stromverhältnis bewirkt eine Drehung des Läufers und damit des Drehfelds und im Endeffekt auch der Geschwindigkeit.

Für das Feinrichten mittels Schrittmotor kann die Winkelauflösung beim Mikroschrittverfahren z.B. mit Faktor 16 auf 360° / 200 / 16 = 0,1125° oder mit Faktor 32 auf 360° / 200 / 32 = 0,05625° erhöht werden. Die dazu notwendige PWM-Frequenz ist 2 x 10 x 10000 / 60 = 3,3 kHz (2 Polpaare, 10x höher, 10000 U/min max. Motordrehzahl und die Umrechnung auf Sekunde).

Der Gleichstrommotor (DC-Motor bzw. BLDC)

Abb. Bürsten-behafteter Gleichstrommotor
Beim DC-Motor gibt es 2 unterschiedliche Bauarten. Bürstenbehaftete Motoren haben eine mechanische Kommutierung der Spulen (die auf dem Rotor sitzen), die Magneten sitzen fest im Gehäuse verbaut. Die Spulen werden mechanisch abhängig vom Drehwinkel selbsttätig kommutiert. Damit ist eine Feldbeeinflussung nicht möglich … lediglich das Drehmoment läßt sich einstellen. Aber für Positionierantriebe ist diese Bauart nicht geeignet.

Abb. bürstenloser DC-Motor (BLDC)
Wird die Winkellage des Rotors mittels Hall-Sensoren (3 an der Zahl) im Gehäuse ermittelt, so kann die Kommutierung elektronisch erfolgen. Der Rotor besitzt wie beim Synchronmotor über die Magneten, die Spulen sitzen im Gehäuse. Bei ganz simplen Reglern wird blockkommutiert, also der Strom der 3 Phasen digital geschaltet. Hierbei ist eine Winkelauflösung von 360 / 3 / 2 = 60° möglich … viel zu wenig. Aber auch hier kann das Drehfeld mittels Controller mit 3 PWM-geregelten Phasenströmen beliebig verfeinert werden … denn wir haben wieder ein analoges Bauteil. Hierbei ist dann aber ein Winkelgeber nötig wie beim Synchronmotor. Die Hall-Sensoren sind zu grobschlächtig und würden entfallen.

Zusammengefasst können alle 3 Motorkonzepte für das Feinrichten eingesetzt werden. Die mechanische Kommutierung beim bürstenbehafteten DC-Motor fällt hierbei heraus da keine Stromregelung möglich ist. Auch Nachteile wie EMV-Ausstreuung begrenzen die Einsetzbarkeit. Der Einsatz von Schrittmotoren wird bei kleinen Antrieben wie 3D-Druckern oder Robotersteuerungen gerne verwendet. Übersteigt das erforderliche Drehmoment oder die erforderliche Drehzahl eine gewisse Grenze, so kommen Synchronmotoren zum Einsatz.

Der Schrittmotor (2-phasig)

Sun, 31 Oct 2021 11:36:44 +0100

Schrittmotoren werden häufig bei Positionierantrieben eingesetzt, bei denen eine fein aufgelöste Positioniergenauigkeit gefragt ist.
Grundsätzlich werden diese gesteuert und nicht geregelt ... das heißt es wird eine bestimmte Anzahl Schritte vorgegeben wobei ein Schritt zumeist 1/200-stel einer ganzen Umdrehung entspricht. Werden 100 Schritte auf einen Schrittmotor gegeben, dann dreht sich dessen Rotorwelle um 180°.
Gesteuert heißt in diesem Fall (Open Loop-Betrieb) dass nicht überwacht wird, ob der Motor auch tatsächlich die gewünschten Schritt gedreht hat. Denn liegt eine höhere Last an die das Antriebsmoment des Motors übersteigt dann fehlen diese Schritte einfach. Auch kann es sein, dass die gewünschte Drehzahl des Motors zu hoch ist für die Drehmassen, so dass der Schrittmotor außer Tritt kommt. DAnn zittert er nur und bewegt sich nicht. Da die tatsächliche Position nicht erfasst wird, kann der Motor seine an ihn gesetzte Aufgabe nicht erfüllen.
Daher gibt es eine geregelte Ansteuerung (eine sogenannten Close-Loop-Betrieb), bei der zusätzlich noch ein Winkellagegeber auf der Rotorwelle verbaut ist und die Ziellager auch erfasst werden kann. Falls Schritte nicht ausgeführt werden, so wird das erkannt und die Steuerung kann weitere Schritt zuzufügen bzw. auch die Drehzahl herabsetzen.

Wie funktioniert ein Schrittmotor?
Wie jeder Elektromotor besteht der Schrittmotor aus einem Stator und einem Rotorteil. Der Rotor hat im einfachsten Fall 4 Dauermagnete, die in 90° Winkel zueinander angeordnet sind. Wenn wir uns die 4 Magneten auf einer Uhr vorstellen, hat der auf 12 Uhr den Nordpol radial außen, der auf 6 Uhr den Südpol außen. Ebenso hat der auf 3 Uhr den Nordpol radial außen und der gegenüberliegende auf 9 Uhr den Südpol außen.
Der Stator besteht im einfachsten Fall aus 4 Spulen, ebenfalls 90° zueinander versetzt. Dabei die die Spule auf 12 und die die auf 6 Uhr in Reihe geschaltet, ebenso die Spule auf 3 Uhr mit der auf 9 Uhr.
Damit ergeben sich nach außen pro Spule 2 Kabel ... also 4 Kabel. Wir reden bei dieser einfachsten Bauart von einem Bipolar-Schrittmotor, dessen 4 Kabel charakteristisch sind. Bipolor deswegen, da eine Spule ja 3 Zustände kennt‘:
unbestromt: magnetisch neutral
+ am Eingang 1, Masse am Eingang 2. Damit sind die Nord -und Südpole definiert
Masse am Eingang 1, + am Eingang 2: Damit ist die magnetische Polung anders herum als im Fall 2

Reale Scrittmotoren

Quelle: Wikipedia

Quelle: Wikipedia

Eigenschaften von Schrittmotoren
beim Erreichen des gewünschten Zielwinkels bleibt der Motor idealerweise stehen, sein Ziel ist erreicht. Für die Motorsteuerung heißt dass dass einer von 4 möglichen Bestromungsarten der Spulen für den Zielschritt zum Tragen kommt. Da sich die 4 Bestromungsarten (4 Schritte) über den Umfang 50 mal wiederholen und somit 200 Schritte über einen Umdrehung des Rotors zustandekommt sollte sich die Motorsteuerung diese letze Schrittposition (1 von 4 Zuständen) idealerweise merken. Da diese keinen Zwischenspeicher haben um sich etwas zu merken geht diese Information üblicherweise nach dem Neustart der Motorsteuerung wieder verloren. Wird dann wieder eingeschaltet, um einen neuen Zielwinkel anzufahren oder ein Haltemoment aufzubauen startet die Motorsteuerung zumeist mit dem Schritt 1 von den 4. Das bedeutet, dass beim Hochfahren der Motorsteuerung der Motor einen kleinen Sprung um 1 oder max. 2 Schritte vorllzieht, noch ehe ein neuer Zielwinkel angefahren werden kann.  Im Mikroschrittbetrieb sind diese entsprechende Vielfache des Mikroschritts, denn hier wird phasikalisch immer mit ganzen Vollschritten gestartet. Ein Winkelspring von 1,8° oder 3,6° in die eine oder andere Richtung sind also normal.

Der Asynchronmotor (Wechselstrom, 3-phasig)

Mon, 23 Feb 2015 06:49:51 +0100

Dieser Motortyp benötigt in der Anwendung als Motor ein 3-phasiges Wechselfeld mit Sinus-Verläufen. Dieses Feld steht im allgemeinen Stromnetz bereits zur Verfügung und wird dort für den 3-phasigen Anschluss von Herden genutzt. Es hat 230V mit 3 Phasen, d.h. diese Sinusspannungen sind 120° zueinander phasenverschoben.
Mit einem solchen Feld ließe sich ein Asynchronmotor gut betreiben, weshalb er als Stationärmotor vielerorts im Einsatz ist und auch vom Drehmoment her prima für kleine und große Anwendungen hoch- bzw. runterskaliert werden kann.

Der Asynchronmotor hat seine Wicklungen bzw. Elektromagnete im raumfesten Stator. Da er 3-phasig betrieben wird, muss er also mindestens 6-polig aufgebaut sein, also jede Phase hat mindestens ein Polpaar. In der Regel werden deutlich mehr Polpaare eingesetzt, aber eben immer ein Vielfaches von 3. Je größer der Durchmesser des Motors ist, umso mehr Polpaare lassen sich im Bauraum unterbringen. Dadurch erhöht sich das Antriebsmoment.
Der Läufer dagegen besitzt keine Stromzuführung (Kohlen oder Schleifer oder ähnliches). Das Magnetfeld wird im Läufer durch Induktion selber erzeugt, indem er aus einem „Stromleitergerüst“ derart aufgebaut ist, dass ein äußeres Magnetfeld (vom Stator) sich permanent ändert (sinusförmig) und damit die Elektronen im Läufer eine Bewegung erfahren. Es baut sich ein Strom im Läufer auf, welcher dadurch ein magnetisches Gegenfeld erzeugt.
Dieses Gegenfeld reagiert dann mit dem permanent umlaufenden Statorfeld und der Rotor dreht sich. Im Gegensatz zum z.B. Gleichstrommotor wird das Magnetfeld im Läufer nicht direkt aufgebaut und ist direkt vorhanden, sondern es wird indirekt aufgebaut und besitzt eine zeitliche Phasenverschiebung zum umlaufenden Statorfeld.
Damit wird schnell klar, warum ein Asynchronmotor asynchron ist. Ein Sychronmotor hat bereits 2 Magnetfelder, welche sich immer synchron zueinander ausrichten und damit gleichphasig umdrehen. Ein Asynchronmotor hat ein Erregerfeld im Stator und ein von ihm erzeugtes Feld im Rotor/Läufer, welches erst durch Induktion erzeugt wird. Damit kann er nie synchron mit dem Drehfeld des Stators umdrehen, sondern läuft nach.

Ein Läufer kann ein Käfigläufer oder ein Kurzschlussläufer sein. Das bedeutet, dass die induzierten Ströme innerhalb des Läufers bleiben und dort auch wieder kurzgeschlossen verschwinden. Es ist keinerlei Stromdurchführung nach draußen notwendig.

Die Drehmomentkennlinie
Durch die asynchrone Eigenschaft läuft das Statorfeld mit einer definierten Frequenz um (z.B. 50 Hz). Da das Läuferfeld zeitversetzt aufgebaut wird, dreht es zeitversetzt zum Läuferfeld und auch mit geringerer Drehzahl. Denn das wirkende Drehmoment ist umso größer, umso höher die Drehzahldifferenz ist. Wenn also der Läufer keinerlei Last hätte und ohne Reibung funktionieren würde, so könnte er gleich schnell drehen. Dann würde aber auch kein Drehmoment zum Mitdrehen mehr erzeugt.

Sobald also etwas Last oder Reibung auftritt, wird der Läufer abgebremst und das Drehmoment wird erhöht. Dadurch wird er wieder beschleunigt. Es pendelt sich somit ein stabiler Zustand ein, bei einem bestimmten Schlupf. Im Diagramm oben sieht man, dass das Drehmoment proportional zum Schlupf ist.
Übersteigt die Last ein bestimmtes Drehmoment, so wird das Kippmoment überschritten (siehe Bild unten). Dann fällt das Drehmoment massiv ab und der Motor würde einen sehr großen Schlupf bekommen und dann auf einem deutlich geringerem Drehmoment verharren. Damit würde der Motor aus dem Tritt kommen und stehen bleiben. Erst wenn die Last wieder ausreichend gering ist, damit das Drehmoment den Läufer wieder auf Nenndrehzahl bringen kann, kann er Motor wieder größere Drehmomente aufbringen.
Daher hat der Asynchronmotor beim Anlaufen immer die Erfordernis, dass er möglichst ohne Last oder mit geringer Last angefahren wird. Sobald er dann die Kippdrehzahl erreicht hat und im Bereich des hohen Drehmoments im Kennfeld betrieben wird, können Verbraucher zugeschalten werden.

Asynchrongeneratoren haben ihren Namen durch die Eigenschaft, daß der Rotor nie mit der Frequenz des Stators umläuft, dieser Effekt wird Schlupf genannt. Der Schlupf berechnet sich aus der synchronen Drehzahl des Stators (Netzdrehzahl) und der Drehzahl des Rotors:
s = (ns - n) / ns
Der Schlupf kann zwischen 1 (bei Stillstand) und 0 (bei idealem Leerlauf) betragen. Im normalen Betrieb ist s < 0,10.
Die synchrone Drehzahl ergibt sich aus der Netzfrequenz f und der Polpaarzahl p :
ns = f / p
Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz und einer Polpaarzahl von 1 (zwei Pole, ein Paar) ergibt sich eine synchrone Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute. Diese Drehzahlen erfordern den Einsatz von Getrieben.
Der Rotor einer Asynchronmaschine ist meist als Kurzschluß- oder Käfigläufer ausgeführt, er benötigt keine Stromzuführung, da im Rotor eine Spannung durch das Drehfeld des Stators induziert wird.
Voraussetzung für die Induktion ist aber ein Blindstrom im Stator, diese Blindleistung wird im Netzbetrieb zum Teil aus dem Netz bezogen, im Inselbetrieb ist für eine Blindleistungskompensation zu sorgen.

Um Aussagen über das Drehmomentverhalten einer Asynchronmaschine zu machen, müssen die Daten des Kippunktes einer Maschine, Kippmoment Mk und Kippschlupf sk gegeben sein. Mit der Kloßschen Formel :
M/Mk=2 / ( s / sk + sk / s )
läßt sich das Drehmoment für jeden Schlupf bestimmen.

Die Drehmoment-Strom-Kennlinie
Wie alle Elektromotoren ist auch beim Asynchronmotor das Drehmoment linear abhängig vom Strom (dunkelblau im Diagramm). Beim Anfahren mit Drehzahl Null (orange im Diagramm) ist die Stromaufnahme am höchsten, und damit auch das Anfahrmoment. Auch das ist ein typisches Motorverhalten von elektrischen Maschinen.

Der Generatorbetrieb
Asynchronmotoren werden häufig in Windkrafträdern als Generator eingesetzt. Asynchrongeneratoren werden meist im Netzparallelbetrieb verwendet, dieses "Dänische" Konzept ist weit verbreitet.
Wenn genügend Wind vorhanden ist, wird die Anlage an das Netz geschaltet, wodurch die Asynchronmaschine den Rotor zunächst als Motor beschleunigt. Wird die synchrone Drehzahl dann erreicht, geht die Maschine in den Generatorbetrieb über und die Anlage speist Energie in das Netz ein.

Der Allstrommotor (Wechsel oder Gleichstrom, 1-phasig)

Sat, 7 Feb 2015 09:41:10 +0100

Dieser Motor ist wie ein Gleichstrom-Reihenschlussmotor aufgebaut und lässt sich im Prinzip auch an Gleichstrom betreiben. Beim Anschluss an Wechselstrom kehren sowohl Erregerfeld als auch Ankerfeld gleichzeitig bei jeder Halbwelle die Richtung um. Dadurch bleibt die Drehrichtung erhalten. Die Erregerwicklung ist zweigeteilt und dient damit neben der Erzeugung des Erregerfeldes auch noch zur Verringerung der elektromagnetischen Störungen, die aufgrund des Bürstenfeuers am Kommutator entstehen. Entstörkondensatoren sind zusätzlich erforderlich.

Der mechanische Aufbau
Der Allstrommotor ist prinziell vom Anker her gleich aufgebaut wie der Gleichstrommotor. Er besitzt einen Kummutator (entweder einen Scheibenkollektor oder Trommelkollektor) und wird mittels Kohlen kontaktiert und polt damit um.
Der große Unterschied ist dass er keinen Permanentmagneten besitzt, sondern auf dem Stator ebenfalls elektrische Spulen, welche das Erregerfeld erzeugen. Da Permanentmagneten eine endliche Koerzitivfeldstärke besitzen und damit für belieibig skalierbare Aufgaben nicht in Frage kommen, sind Permanentmagneten (also DC-Motoren) nur für kleinere Drehmomente und Bauformen geeignet.

Historisch gab es zuerst den Allstrommotor, da dieser nicht auf Gleichstrom angewiesen ist. Er kann mit Gleichstrom betrieben werden, ebenso aber mit Wechselspannung bzw. irgendeinem Mischsignal aus Gleich- und Wechselstrom. Das kann nur deswegen funktionieren, weil das Magnetfeld aufgrund des angelegten Stromsignals immer gleichzeitig sowohl im Stator als auch im Läufer wechselt. Damit bleibt die Drehrichtung immer dann unverändert, wenn beide Umpolungen phasengleich passieren.
Es gibt also eine überlagerte Umpolung. Einmal wird der Strom beidseitig aufgrund des Wechselfelds umgepolt. Da sich hierbei die Polung des gesamten magnetischen Feldes ändert, gemeinsam mit der Stromrichtung der Spulen, ändert sich die Lorenzkraftrichtung nicht. Der Motor kann weiterhin unvermindert antrieben.
Überlagert zu dieser Umpolung gibt es dann die gewollte, drehwinkelabhängige Umpolung in den Läuferspulen, welche dafür sorgen, dass ein Läuferzahn je nach Drehwinkel wieder entweder mit magnetisch Nord oder mit Süd nach außen, um so vom entsprechenden Statormagnet angezogen bzw. abgestoßen zu werden.

Auf dieser Abbildung sieht man rechts einen Allstrommotor, der gleichermaßen mit Wechselspannung oder Gleichspannung zurechtkommt. Der Läufer ist dreipolig, der Stator 2-polig. Eine Feldspule erzeugt das Primärfeld des Motors.
Links in der Abbildung sieht man dagegen einen Gleichstromotor. Hier wurde die Feldspule durch einen Permanentmagneten ersetzt. Er kann jetzt nur noch mit einer Gleichspannung getrieben werden. Der Läufer ist 5-polig, der Stator 2-polig. Insgesamt reduziert sich die Stromaufnahme beim Einsatz eines Permanentmagneten, da der zusätzliche Strom zum Aufbringen des Primärfelds in der Spule wegfällt.

Der Allstrommotor in der Praxis
Allstrommotoren benötigen zum Betrieb eine beliebige Spannungsquelle egal ob diese ein Wechselspannung oder Gleichspannung erzeugt. Er funktioniert damit mit der Netzspannung aus der Steckdose (in der passenden Spannungshöhe natürlich) und wird daher für kabelgebundene Elektrowerkzeuge gerne eingesetzt. Er hat damit nur 2 Anschlussklemmen für +/- und Masse. Die Drehrichtung muss innerhalb des Motors umgepolt werden, also die Polung vom Stator relativ zum Läufer geändert werden. Wie bei allen Elektromotoren ist das Drehmoment proportional dem Strom der durch die Wicklungen läuft.
Bei gegebener Last kann die Drehzahl über die Höhe der angelegten Spannung bestimmt werden. Er ist sehr robust und temperaturunempfindlich. Auch Stöße kann er problemlos wegstecken, da kein empfindlicher Permanentmagnet integriert ist.
Permanentmangneten verlieren bei straken Erschütterungen oder auch magnetische Überlastung ihre Magnetkraft über der Zeit. Bei Magnetwerkstoffen aus Seltenen Erden (Neodym) ist auch ein Betrieb über 120° schon schädlich für die Magnetisierung. Nicht so bei Allstrommotoren, dessen Magnetfeld wird LIVE vor Ort erzeugt und kann beliebig oft wieder aufgebaut werden ... mit dem Nachteil des zusätzlich benötigten Stroms für das Erregerfeld.
Der Universalmotor verliert bei Belastung an Drehzahl, ist aber beim Einschalten sehr durchzugsstark.

Der Einsatzbereich
Der Universalmotor ist der am meisten verwendete Kleinmotor. Er wird in vielen Elektro-Handgeräten, z.B. Handbohrmaschinen oder Handkreissägen, eingesetzt.

Der Gleichstrommotor (Gleichstrom, 1-phasig)

Fri, 6 Feb 2015 15:57:13 +0100

Das Prinzip des Gleichstrommotors ist relativ einfach, die mechanische Konstruktion dafür recht aufwändig. Die Spule des Ankers (oft als Rotor oder Läufer bezeichnet) wird vom Magnetfeld des Ständers (Stator), dem Erregerfeld, durchdrungen. Der Ankerstrom hat ein Anker-Magnetfeld zur Folge, das sich nach dem Ständerfeld ausrichtet. Dabei dreht sich der Anker. Stehen sich die ungleichnamigen Pole von Erreger- und Ankerfeld gegenüber, dann wird umgepolt, damit die Drehbewegung aufrechterhalten bleibt. Die Umpolung (Kommutierung) erfolgt auf mechanische Art. Dazu sind auf der Achse Schaltelemente (Kommutator mit Stromzuführungsbürsten) angebracht, welche bei der Drehung die Windungen umpolen, die gerade senkrecht zum Erregerfeld stehen.

Der mechanische Aufbau
Es gibt 2 Kernbauteile für den magnetischen Fluss. Zum einen ein raumfester Magnet (Stator) und ein sich drehender Magnet (Rotor oder Anker). Der Stator besteht aus einem Dauermagnet, also einem ferromagnetischen Werkstoff, welcher einmal bei der Montage einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, dass sich die magnetischen Partikel entsprechend ausrichten. Diese Ausrichtung bleibt dann für sehr lange Zeit erhalten und wir reden von einem Dauermagneten.
Der Stator ist aus mindestens 2 Dauermagneten aufgebaut, welche radial auf den Läufer ausgerichtet sind und einen 180°-Winkel bilden. Der eine hat den Südpol innen, der andere außen. Ein Blechpaket schließt das äußere Magnetfeld und schließt das magnetische Feld zwischen den beiden nach außen gewandten Magnetpolen. Der Grundaufbau ähnelt netfernt an ein Hufeisen.
Innen ist der drehbar gelagerte Läufer. Er sieht bei 2 Dauermagneten wir eine Hantel aus. Das Blechpaket besteht aus vielen dünnen Blechen, die miteinander verstemmt oder gestanzt sind. Um die beiden Anker ist eine isolierter Draht gewickelt, welcher bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt und in das Blechpaket einprägt.

Die Umpolung (Kommutierung)
Da sich der Läufer dreht, muss eine Drehdurchführung für den elektrischen Strom geschaffen werden. Dies wird meist mit Kohlebürsten realisiert, welche auf einem segmentierten Kupferblech reiben. Da Kohle (Ferrit) elektrisch leitend ist, wird somit der Gleichstrom von außen an den drehenden Läufer übertragen und fließt damit durch die Läuferspulen durch.
Die Drehdurchführung (Kommutator) ist segmentiert, da ansonsten die Stromrichtung im Läufer immer gleich wäre. Im Stator würde sich ein festes magnetisches Feld aufbauen und der Läufer einmal so orientieren, dass es mit dem Magnetfeld des Stators ausgerichtet ist. Um eine Drehbewegung zu bekommen, bedarf es also eine drehwinkelabhängigen Umpolung des Läufermagnetfelds, welches durch die Segmentierung erreicht wird. Damit wird der Läufer immer wieder umgepolt und der Motor dreht sich konstant weiter.

Die Varianten
Bis jetzt kennen wir nur die einfachste Bauform des Gleichstrommotors. Dies ist die oben beschriebene 2-polige Bauweise. Um den Bauraum noch besser zu nutzen wird oft ein 4-poliger Aufbau verwendet. Das bedeutet, dass beim 2-poligen Motor ein Polpaar im Stator eingebaut ist, beim 4-poligen zwei Polpaare. Es gibt aber auch 6-polige Motoren.

Der Läufer dagegen muss nicht die gleiche Anzahl Pole haben. Oft wird bei 2-poligem Permanentmagnet ein 3-Pol-Anker verwendet, oder ein 5-poliger. Damit wird ein Kompromiss eingegangen: zum einen wird zwar etwas magnetischer Fluss hinsichtlich der Erzeugung von Drehmoment verschenkt, dafür kann aber ein besseres Anlaufverhalten und eine Verringerung von Rastmomenten erreicht werden.

Der Gleichstrommotor in der Praxis
Gleichstrommotoren benötigen zum Betrieb eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie oder ein Gleichspannungsnetzteil. Er hat damit nur 2 Anschlussklemmen für + und -. Die Drehrichtung wird über die Polung bestimmt. Wie bei allen Elektromotoren ist das Drehmoment proportional dem Strom der durch die Wicklungen läuft.
Bei gegebener Last kann die Drehzahl über die Höhe der angelegten Spannung bestimmt werden.

Der Einsatzbereich
Der Gleichstrommotor ist der klassische regelbare Antrieb. Er wird als Hauptantrieb bis zu einigen 100 kW Leistung, als Universalantrieb und als Servoantrieb bis hinunter in den Wattbereich eingesetzt. Er wird in Spielzeugeisenbahnen, in akkubetriebenen Elektrowerkzeugen, in Fensterhebern und Sitzverstellern in PKW als Stellmotoren eingesetzt.