Gleichstrommaschine

Begriff und Grundprinzip

Eine Gleichstrommaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, die mit Gleichstrom betrieben wird oder Gleichstrom erzeugt. Im Motorbetrieb wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt; im Generatorbetrieb wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dieselbe Maschine kann je nach Betriebszustand auch abwechselnd als Motor und als Generator arbeiten.

Klassische Gleichstrommaschinen besitzen einen mechanischen Wechselrichter, den Kommutator oder Polwender. Im Motorbetrieb sorgt er dafür, dass die Ankerwicklungen im Rotor immer passend zum Magnetfeld gepolt werden. Im Generatorbetrieb wandelt er die im Rotor entstehende Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um. Gleichstrommaschinen können unter Belastung anlaufen, und ihre Drehzahl lässt sich vergleichsweise leicht verändern.

Eine Sonderform ist die Unipolarmaschine, die Gleichstrom ohne Kommutator erzeugen kann.

Aufbau und Arbeitsweise

Der unbewegliche Teil heißt Stator. Er besteht aus einem Joch in Form eines Hohlzylinders sowie Hauptpolen und bei größeren Maschinen zusätzlich Wendepolen. Die Hauptpole tragen entweder eine Erregerwicklung oder Permanentmagnete. Bei größeren Maschinen sitzen in den Polschuhen Kompensationswicklungen. Der Stator ist massiv ausgeführt, weil dort kein magnetisches Wechselfeld wirkt und deshalb keine Wirbelströme entstehen.

Der drehbare Teil heißt Rotor, bei konventionellen Maschinen auch Anker. Er ist geblecht, um Wirbelstromverluste durch Ummagnetisierung zu verringern. Meist ist die Maschine als Innenläufer ausgeführt: Der Rotor liegt innen und der Stator außen. Bei einem Außenläufer ist die Anordnung umgekehrt.

Auf dem Anker liegen eine oder mehrere Spulen in einem Magnetfeld. Die Lorentzkraft und teilweise die Reluktanzkraft erzeugen daraus ein Drehmoment. Die Ankerwicklungen sind mit dem Kommutator verbunden. Schleifkontakte, meist Graphit- oder Kohlebürsten, wechseln während der Drehung die Polung der Wicklungen. So werden jeweils die Wicklungen mit Strom geeigneter Richtung versorgt, die sich quer zum Erregerfeld bewegen. An den Bürsten entsteht eine pulsierende Gleichspannung; mehrere räumlich versetzte Wicklungen glätten den Spannungsverlauf.

Die Umkehrung des Motorprinzips ergibt den Generator: Wird der Anker von außen bewegt, erzeugt er elektrische Energie, und der Kommutator wandelt den erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom um. Das allgemeine Motorverhalten hängt vor allem von der Feldstärke der Feldwicklung sowie von Windungszahl und Polzahl der Ankerwicklung ab.

Erregungsarten und Maschinentypen

Bei einer permanenterregten Gleichstrommaschine erzeugen Permanentmagnete das Statorfeld. Diese Bauweise ist besonders bei kleinen Motoren üblich, etwa in Spielzeug, Stellantrieben, Gebläsen und Kühler-Ventilatoren von Kraftfahrzeugen, Fahrradantrieben und Modellbahnen. Sie benötigt für das Magnetfeld keine Energie und kann dadurch bei kleiner Gesamtleistung einen besseren Wirkungsgrad erreichen. Das Feld lässt sich jedoch nicht schwächen, weshalb die Drehzahl weniger gut veränderbar ist. Große Permanentmagnete wären teurer als eine Erregerwicklung.

Bei elektrisch erregten Maschinen erzeugt ein Elektromagnet das Statorfeld. Bei Fremderregung werden Erreger- und Ankerwicklung aus zwei getrennten, einstellbaren Gleichstromstellern gespeist. Dadurch können Ankerspannung und Erregerstrom unabhängig geregelt werden. Eine Verringerung des Erregerstroms schwächt den magnetischen Fluss Φ und steigert die Drehzahl über die Nenndrehzahl nₙ hinaus; zugleich sinkt das Drehmoment M. Eine Verringerung der Ankerspannung reduziert bei konstantem Drehmoment die Leistung und die Drehzahl. Diese Eigenschaften machten fremderregte Maschinen für hochdynamische Antriebe, etwa Werkzeugmaschinen und elektrische Stadtschnellbahntriebzüge, wichtig. Im Leonardsatz wurden ein Drehstrom-Asynchronmotor, ein fremderregter Gleichstromgenerator und ein Gleichstrommotor kombiniert.

Bei der Reihenschlussmaschine, auch Hauptschlussmaschine genannt, sind Anker- und Erregerwicklung in Reihe geschaltet. Sie benötigt eine niederohmige Erregerwicklung. Da sich bei Wechselspannung Ankerstrom und Erregerfeld gleichzeitig umkehren, kann der Motor auch mit Wechselstrom betrieben werden. Deshalb findet man ihn als Universalmotor oder Allstrommotor in Staubsaugern, Küchenmaschinen und Bohrmaschinen sowie in Anlassern, Straßenbahnen und älteren Elektrolokomotiven. Bei geringer Drehzahl ist die Gegeninduktionsspannung klein, der Strom groß und das Anlaufmoment hoch. Mit steigender Drehzahl steigen die Gegeninduktionsspannung und die Drehzahl, während Strom, Erregung und Drehmoment sinken. Als Generator muss die Erregerwicklung umgepolt werden. Bei Wechselstrom pulsiert das Drehmoment mit doppelter Netzfrequenz.

Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallel geschaltet. Ihre Drehzahl ist bei großen Maschinen nahezu unabhängig vom Drehmoment; sie eignet sich daher für Förderbänder und Hebezeuge mit schwankender Last. Ein Wechselspannungsbetrieb ist wegen der zeitlichen Verzögerung des Erregerstroms nicht möglich. Bei Unterbrechung des Erregerkreises kann der Motor durchgehen, weil Drehzahl und Stromaufnahme stark ansteigen. Zum Anfahren großer Maschinen werden eine geringere Spannung oder Vorwiderstände verwendet, um den hohen Einschaltstrom zu begrenzen. Das maximal erreichbare Drehmoment wird durch den zulässigen, vor allem von der Kühlung abhängigen Ankerstrom begrenzt.

Die Verbundmaschine oder der Doppelschlussmotor besitzt sowohl eine Reihen- als auch eine Nebenschlusswicklung. Bei richtiger Compoundierung hat sie ein etwas geringeres Anzugsmoment als ein gleichwertiger Reihenschlussmotor, aber eine höhere Drehzahlstabilität als dieser. Bei Übercompoundierung überwiegt das Reihenschlussverhalten: Das Anzugsmoment ist hoch, die Drehzahl jedoch instabil. Bei Untercompoundierung überwiegt das Nebenschlussverhalten: Die Drehzahl bleibt stabiler, das Anzugsmoment ist aber geringer. Verwendet wird diese Bauart beispielsweise für Pressen und Stanzen.

Spezielle Bauformen und Entwicklung

Glockenankermaschinen sind kleine, bis etwa 100 Watt reichende permanenterregte Maschinen mit einem hohlen, eisenlosen Rotor. Der Rotor ist selbsttragend gewickelt und kunstharzgetränkt; der Permanentmagnet liegt innerhalb des Rotors, während das äußere Eisengehäuse den magnetischen Rückschluss bildet. Wegen des eisenlosen Rotors gibt es kein Rastmoment und keine Eisenverluste. Das geringe Rotations-Trägheitsmoment ermöglicht hochdynamische, leichte Antriebe. Nachteile sind der große Luftspalt mit geringerer Magnetflussdichte, hohe Anforderungen an Wicklung, Auswuchtung und Stoßfestigkeit sowie eine begrenzte Ankergröße. Modellbahnfahrzeuge mit Glockenankermotor laufen ruckfrei und langsam gut.

Beim Scheibenläufermotor ist der Rotor eine dünne Scheibe, die in einem parallel zur Achse verlaufenden Magnetfeld dreht. Es gibt permanenterregte Ausführungen mit Kommutator und bürstenlose Ausführungen. Wegen der geringen Masse besitzt der Rotor eine kleine Massenträgheit und eignet sich für dynamische Anwendungen.

Bürstenlose Gleichstrommaschinen, auch BLDC- oder EC-Motoren genannt, vermeiden das Bürstenfeuer klassischer Maschinen. Dieses entsteht an den Bürsten, verursacht hochfrequente Störungen, begrenzt die maximale Drehzahl und beschleunigt den Verschleiß. Elektronische Umrichter betreiben kleinere permanenterregte Synchronmotoren so, dass ihr äußeres Verhalten dem einer Gleichstrommaschine ähnelt. Aufbau und Maschine entsprechen dabei ungedämpften permanenterregten Synchronmaschinen.

Historisch waren Gleichstrommaschinen nach der Entwicklung der ersten galvanischen Elemente die ersten elektromechanischen Energiewandler. Ányos Jedlik entwarf 1829 die Urform eines Elektromotors, Hippolyte Pixii baute 1832 den ersten Gleichstromgenerator, Antonio Pacinotti entwickelte um 1860 einen Motor mit vielteiligem Kommutator, und Friedrich von Hefner-Alteneck entwickelte 1872 den Trommelanker. Mit dem Dreiphasenwechselstrom verloren Gleichstrommaschinen im Großmaschinenbau an Bedeutung; Synchron- und Asynchronmotoren ersetzten sie in vielen Anwendungen. Im Kleinstleistungsbereich und bei hochdynamischen Antrieben blieben sie jedoch relevant.

Ankerrückwirkung und Gegenspannung

Der stromdurchflossene Anker erzeugt ein eigenes Magnetfeld. Dieses verstärkt das Hauptfeld auf einer Seite und schwächt es auf der anderen. Dadurch verschiebt sich der neutrale Bereich, in dem die Stromrichtung umgeschaltet werden muss: Im Generatorbetrieb verschiebt er sich in Drehrichtung, im Motorbetrieb gegen die Drehrichtung. Da der Kommutator diese Verschiebung nicht automatisch berücksichtigt, liegt beim Umschalten noch eine Induktionsspannung an den Bürsten an und es entsteht Bürstenfeuer. Bei großen Maschinen vermindern Wendepol- und Kompensationswicklungen diesen Effekt.

Die Gegenspannung oder Gegen-EMK ist die Spannung, die durch die Drehung des Ankers im Statorfeld nach dem Generatorprinzip entsteht. Sie ist der Betriebsspannung entgegengerichtet und wirkt dem Ankerstrom entgegen. Bei Motorstillstand ist sie null; deshalb haben fremd- und permanenterregte Motoren beim Einschalten einen hohen Strom, da der Widerstand der Rotorspulen klein ist. Anlasswiderstände oder elektronische Schaltregler begrenzen diesen Strom.

Die Gegen-EMK hängt streng linear von der Ankerdrehzahl und der Erregerstärke ab. Der ohmsche Spannungsabfall am Ankerwiderstand steigt mit der Belastung und lässt die Drehzahl sinken. Bei Umkehr der Stromrichtung beziehungsweise bei Klemmenspannung kleiner als der EMK arbeitet die Maschine als Generator. Dadurch sind elektrische Bremsung und Energierückspeisung möglich.

Physikalisches Modell und Regelbereiche

Für den Ankerkreis gilt im Verbraucher-Zählpfeil-System:

L_A · d i_A(t)/dt = −R_A · i_A(t) − U_ind + U_A.

Bei konstantem Strom folgt:

U_A = R_A · i_A + U_ind.

Mit dem Induktionsgesetz ergibt sich:

U_A = R_A · i_A + k₂ · φ · 2πn.

Dabei sind i_A der Ankerstrom, U_A die Ankerspannung, R_A der Wicklungswiderstand, L_A die Ankerinduktivität, U_ind die induzierte Spannung, φ der Luftspaltfluss, n die Drehzahl und k₂ eine Maschinenkonstante. Für konstante Ankerspannung und konstanten Fluss ist die Drehzahl ungefähr proportional zur Ankerspannung. Der Bereich −U_nenn < U_A < U_nenn heißt Ankerstellbereich.

Bei U_A = U_nenn und n = n_nenn liegt der Typenpunkt. Oberhalb davon kann die Drehzahl durch Verringerung des magnetischen Flusses φ, also durch Feldschwächung und Verringerung des Erregerstroms, erhöht werden. Die zulässige Maximaldrehzahl darf dabei nicht überschritten werden. Wegen M = k₁ · φ · I_A sinkt das zulässige Drehmoment proportional mit dem Fluss.

Für den Erregerkreis gilt:

L_E · d i_E/dt = −R_E · i_E + u_E.

Weitere Beziehungen sind:

u_ind = c_A · ψ_E · ω,

ψ_E = (1/N_E) · L_E · i_E,

dα/dt = ω,

J · dω/dt = c_A · ψ_E · i_A − τ_L.

Hierbei sind u_E die Erregerspannung, i_E der Erregerstrom, R_E und L_E der Widerstand beziehungsweise die Induktivität der Erregerwicklung, ω die Winkelgeschwindigkeit, ψ_E der Erregerfluss, N_E die Windungszahl, J das Massenträgheitsmoment, α der Drehwinkel und τ_L die Summe der Lastmomente. In einer weiteren Schreibweise gelten U_A = I_A · R_A + L_A · dI_A/dt + U_q, U_E = I_E · R_E + L_E · dI_E/dt und U_q = c · n · Φ(I_E).