[H3] Gleichstrommotoren und -generatoren

Allgemein

Schaltbild der Gleichstrommaschine

Darin sehen wir schon die wesentlichen elektrischen Bauteile und die grundsätzlichen Funktionen der Gleichstrommaschine.

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Die Ankerwicklung "lebt" nicht ohne ihre Anschlüsse über die Kohlebürsten (A1 - A2). Die Erregerwicklung liegt nicht nur bildnerisch sondern auch wirkungsmäßig quer zu den Anschlüssen der Ankerwicklung im Gehäuse der Maschine. Ihre Anschlussbezeichnung richtet sich nach der Art der elektrischen Schaltung.

Begriffe

Erregung

Die Erzeugung des Magnetischen Feldes zwischen den Hauptpolen wird Damit entsteht das benötigte Magnetfeld im Ständer der Gleichstrommaschine. Die Erregung erfolgt mit Gleichstrom in der Erregerwicklung oder mit permanentmagnetischen Hauptpolen.Erregung genannt.

RS NS FE
reihenschluss- nebenschluss- fremderregt

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NS_RL (14K)

NS_RL (14K)

Permanenterregt

Es ist auch möglich, die Maschine mit Dauer- (Permanent-) magneten zu erregen. Damit spart man sich die "fremde" el. Spannungsquelle und die das nennen wir "selbsterregt" oder "Eigenerregung"Maschine hat ihre Energie zur Erregung in sich selbst.

permanentmagneterregte Maschine

Schaltung als Selbsterregte-Maschine (Eigenerregung)

Selbst erregen kann sich eine Maschine auch über eine Wicklung

Dabei wird der Remanenz- oder der Gleichstrommagnete bleiben ja nach dem Ausschalten etwas magnetisch
Restmagnetismus der Hauptpole
ausgenutzt und während des Anlaufens wird durch Steigerung der Maschinendrehzahl allmählich die Erregung bis zur Nennbetriebsstärke gesteigert.

Bei einer selbst- oder eigenerregten Gleichstrommaschine wird die Erregerwicklung NS- geschaltet.

Aufbau

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Einzelteile

Drehende Maschinen bestehen aus

  • Rotor (drehender Teil der Maschine)
    • Welle und Kommutator (Stromwender oder Kollektor)
    • Ankerblechpaket mit Ankerwicklung
    und
  • Stator (stehender Teil der Maschine auch Ständer genannt)
    • Gehäuse (magnetischer Rückschluss)
    • Hauptpole mit Erregerwicklung
    • Bei sehr großen Maschinen zur Verbesserung der Kommutierung
      • Wendepole
      • Kompensationswicklung

Oben sind die wesentlichen Bauteile in einer Explosionszeichnung dargestellt. Das unten gezeichnete Modell in einer Schnittdarstellung entspricht einer kleinen Gleichstrommaschine. Bei gößeren Maschinen hat der Anker wesentlich mehr Zähne oder Nuten, der Kollektor hat dann eben wesentlich mehr Lamellen und damit wird der Rundlauf auch deutlich verbessert.

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Ständer

Der stehende Teil der Maschine ist Trägerer ist erregt der Magnetischen Energie. Da die Hauptpole immer konstant erregt sind, also sich der Nord- wie der Süpol der Maschine magnetisch nie ändernwird mit Gleichstrom oder durch Permanentmagnete erreicht, muss der Ständer nicht geblechter ist aus massivem Stahl konstruiert werden.

Anker

Bei der Gleichstrommaschine heißt der Rotor auch Anker. Die Erklärung findet man im Schnittbild, wenn man die Form der Pole im Rotor betrachtet.

Die Ankerwicklung als sogenannte Trommelwicklung

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Der Stromwender oder Kollektor oder Kommutator

Wie entsteht ein Stromwender?

Die Ankerwicklung wird über Schleifende KontakteDas sind Kohlebürsten, die eine gute natürliche Schmierung besitzen, wenn sie über die Kupferlamellen des Kollektors gleiten. mit Gleichstrom versorgt. Wenn auch der Kollektor von Weitem betrachtet wie ein Ring aus Kupfer aussieht, so ist er bei genauem hinsehen eine ringförmige Konstruktion aus lauter einzelnen trapezförmigen Kupferlamellen. Jede dieser Lamellen hat eine Anschlussfahne für einen Stab der Ankerwicklung.

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Diese Lamellen werden mit Isolierpapier voneinander getrennt zu einem Ring zusammengespannt oder geklebt und dann auf die Welle aufgepresst.

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Wie funktioniert ein Kollektor?

Am Besten betrachten wir ein einfaches Modell. Der Gleichstrommotor besitzt das Hauptfeld (der Hauptpole, entweder mit Feldwicklung oder mit Permanentmagneten). In diesem Hauptfeld liegen die drehbaren Spulen der Ankerwicklung.

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Quelle: pauls-bastel-leben.blogspot.co.at

Wenn die Ankerwicklung an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird, bildet sie je nach Stromrichtung Nord- und Südpole aus. Eine vollständige Drehung ergibt sich nur, wenn der elektrische Anschluss rechtzeitig umgepolt wird. Deshalb werden die Spulenenden an den Stromwender (Kollektor oder Kommutator) angeschlossen. Dieser dreht auf der Welle mit, wodurch sich die Spulenseiten an der Plus und Minus Bürste ( = Kohlekontakte) abwechseln.
Durch das Umpolen fließt in der Ankerwicklung praktisch ein WechselstromDer Anker ist deswegen geblecht (= lamelliert).
Dieses einfache Modell würde ohne Schwung nicht laufen, darum bekommt der Anker eine ungerade Zahl von Polen.

Die LückeDas ist die Nut, in der eine Spulenseite, also ein Wicklungsstab liegt. zwischen den Polen wird gefüllt mit Kupferdraht. Je mehr Pole desto weniger Platz für Draht und desto weniger Windungen haben Platz. Bei sehr großen Maschinen werden aus den Drähten richtige Kupferstäbe. Diese werden dann über Anschlussstege mit den Kollektorlamellen mittels Lötung verbunden (siehe obige Fotos).

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Betriebsverhalten

Drehzahlverhalten

Durch die Drehung des Ankers zwischen den Erreger- oder den Hauptpolen der Maschine wird in der Ankerwicklung eine Spannung U0 erzuegt:

Darin ist:

        U0 ... die generatorisch erzeugte Spannung in der Ankerwicklung
        k1 ... eine Konstante, 
            die sich aus der Konstruktionsgröße der Maschine ableiten lässt
        Φ  ... der magnetische Flussder sollte ja auch konstant bleiben. zwischen den Hauptpolen der Maschine 
        n ... die Ankerdrehzahl
	

Vergleich Motor-Generator

Für eine bestimmte Maschinendrehzahl ergibt sich aus der Existenz der Gegenspannung, dass eine Maschine als Generator um den inneren Spannungsabfall Ui weniger Ankerspannung abgibt, als sie für die entsprechende Drehzahl als Motor Ankerspannung braucht.

Vergleicht man dagegen die Ankerspannung, muss ein Generator wegen der Spannungsverluste mehr Spannung U0 erzeugen, also schneller drehen, damit der Motor diese gelieferte Spannung mit seinen Verlusten in Drehung umsetzen kann:

Ein Motor dreht bei gleicher Spannung immer langsamer als ein Generator.

Gleichstrommmaschine als Motor

Anlauf

Eine drehende Maschinehier ein Motor ist immer wie ein Generator zu betrachten. Die Ankerspannung ist dann die generatorisch erzeugte Spannungbeim Motor die Gegenspannung (mit Bremswirkung) U0 und ist kleiner als die angelegte Spannung UA. Beide Spannungen wirken gegeneinander. Die größere Spannung treibt den Strom. Der Motor nimmt Strom auf. Wenn er langsam dreht, ist U0 = k . n . Φ klein. Das bedeutet, es fließt viel Anlaufstrom. Mit der größer werdenden Drehzahl n wird die Gegenspannung höher und damit der aufgenommene Strom kleiner.

Für das Drehmoment eines Gleichstrommotors gilt:

Darin ist:

        M ... das Drehmoment in Newton-Meter
        k2 ... eine Konstante, 
            die sich aus der Konstruktionsgröße der Maschine ableiten lässt
        Φ  ... der magnetische Flussder sollte ja auch konstant bleiben. zwischen den Hauptpolen der Maschine 
        IA ... der Ankerstrom
	

Dabei ist die Maschinenkonstante k1:

Die Drehmomentbildung

Das Drehmoment entsteht, weil die Stäbe der Ankerwicklung von einem Strom durchflossen werden. Grundsätzlich wird ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld abgelenkt.

Die drehende Lagerung der Spule, sowie die Kommutierung (Stromwendung) der Ankerwicklung (Schleife) ist Grundlage der Drehwirkung (Drehmoment MD).

Gleichstrommotoren können auch bei geringster Drehzahl hohe Drehmomente entwickeln. Das Drehmoment hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Stärke des Erregerfeldes (IErr)
  • Größe des Ankerstromes IA)
  • Bauart des Rotors (k)
  • Ankergegenspannung

    Die Gleichstrommaschine nimmt im Anlauf sehr große Ströme auf, auch wenn sie gar nicht belastet wird. Beim Beschleunigen auf höhere Drehzahlen wird der Strom immer kleiner. Dieses Phänomen lässt sich mit der im Anker induzierten Gegenspannung erklären:

    Der Strom wird der Maschine natürlich von der Netzspannung UN aufgezwungen. Ihre Wirksamkeit wird aber von der Gegenspannung -U0 reduziert. Diese U0 ist aber direkt von der Drehzahl des Motors abhängig, und wird umso höher, je schneller die Maschine wird. Also treibt die immer kleiner werdende Urest auch einen stetig kleiner werdenden Strom durch die Maschine.

    Der Ankerstrom ist also:

    Schaltungen und Eigenschaften von Gleichstrommotoren

    Zur Begrenzung des sehr hohen Anlaufstromes werden bei Gleichstrommaschinen Anlasser eingesetzt. Diese sind in Reihe zur Ankerwicklung geschaltet, aber nicht für Dauerbetrieb geeignet.

    Nebenschlussmotor

    Die Eigenschaften sind dem fremderregten Motor (mit Permanentmagnetpolen) vergleichbar:

    Der Permanentmagnetmotor ist dank der Spielzeugindustrie an Zahlen sich der am häufigsten verwendete Motor. Allerdings kommt er auch im Auto oder in Werkzeugmaschinen zum Einsatz.Die Drehzahl der Nebenschlussmaschine ist nicht belastungsabhängig. Diese Eigenschaft wird zum Vergleich bei allen Antrieben als Nebenschluss-Karakteristik bezeichnet.

    Reihenschlussmotor

    Diese Maschine hat das größte Anzugsmoment aller Maschinen:

    Die Drehzahl kann mit einem Parallelwiderstand zur Feldwicklung gesteuert werden.Bei Belastung sinkt die Drehzahl recht flott. Im Leerlauf neigt aber die Maschine dazu, zu schnell zu werden, man sagt: "Sie geht durch". Die Kennlinie zeigt auch, dass bei steigender Belastung, das heisst kleiner werdende Drehzahl, das Drehmoment stark zunimmt. Der Antrieb wehrt sich mit mächtiger Stromaufnahme gegen das "Abwürgen". Dieses Verhalten wird auch als Reihenschluss-Karakteristikbezeichnet.

    Doppelschlussmotor

    Die Maschine vereint wieder alle Vorteile:

    Vorsicht ist bei der Polung der beiden Erregerwicklungen geboten!Die Maschine geht nicht durch und hat troztdem ein hohes Anzugsmoment. Aber zwei Erregerwicklungen statt nur eine hat etwas mit Größe zu tun, was meint ihr?

    Gleichstrommaschine als Generator

    Die erzeugte Spannung

    Die Höhe der erzeugten Spannung U0 ist verhältnisgleich (proportional) zur Baugröße des Rotors k, zur Drehzahl n und zum Hauptfluss Φ (bzw. zum Erregerstrom IErr.

    Daraus lassen sich grafisch zwei Kennlinien zeichnen, die diesen Zusammenhang verdeutlichen:

    Leerlaufkennlinie des Gleichstromgenerators:
    Durch Steigerung der Erregung (IErr) wird die erzeugte Spannung bis zur Sättigung erhöht. (vgl. Magnetisierungskennlinie von Fe)
    Durch Steigerung der Drehzahl n steigt die erzeugte Spannung linear.

    Der Generator als Quelle

    Die im Inneren erzeugte Spannung des Generators wird durch den Ankerwiderstand an den Klemmen reduziert. Dies geschieht umso mehr, je stärker der Generator belastet wird.

    Das entspricht der bekannten Problematik einer Quelle!

    Nebenschlussgenerator

    Die Eigenschaften sind dem fremderregten Generator (mit Permanentmagnetpolen) vergleichbar:

    Die parallel zum Anker, oder an einer Fremdspannung angeschlossene Feldwicklung ist hinter einem Feldsteller geschaltet. Damit kann das Erregerfeld eingestellt werden.
    Der Widerstand im Ankerkreis ist für den Generator eine Belastung.
    Die Klemmenspannung (UK) sinkt nur wenig bei Belastung (IL).
    Sie kann durch Verstellung des Feldstellers oder durch elektronische Schaltungen einfach eingestellt werden.

    Reihenschlussgenerator

    Die Maschine hat zwar den größten Kurzschlussstrom aller Maschinen, ist aber in der Praxis kaum mehr verwendet:

    Die Erregerwicklung liegt in Reihe zum Anker, also im Verbraucherstromkreis.
    Dadurch wird die Maschine umso stärker erregt, je mehr sie belastet wird. Irgendwann geht sie aber in Sättigung und dann wird es heiss.
    Die Klemmenspannung (UK) steigt lastabhängig bis zur Sättigung. Zur Regulierung der Erregung müsste ein Stellwiderstand parallel an die Feldwicklung geschaltet werden, was auch nur Verluste erzeugt.

    Doppelschlussgenerator

    Die Maschine vereint alle Vorteile:

    Der Spannungsabfall der Nebenschlusswicklung wird durch die Reihenschlusswicklung aufgehoben.(Wegen der Schaltungskombination der Feldwicklung wird die Maschine auch "Compound-Maschine" genannt.)Durch die richtige Abstimmung der Reihen- und Hauptschlusswicklung kann die Spannung konstant gehalten werden.