Bauarten
Bauarten und Einzelteile
Gleichstrommotoren
Gleichstrommotoren sind prinzipiell wie Universalmotoren aufgebaut. Zur Illustration des folgenden Textes kann deshalb auch mit den Fotografien im Kapitel „Universalmotoren“ verglichen werden. Zum Aufbau des Gleichstrommotors schreibt FISCHER 2004: „Der feststehende Ständer aus massivem oder geblechtem Eisen trägt einen Elektromagneten (bei kleineren Motoren sind auch Permanentmagnete möglich. A.d.A.), dessen Erregerwicklung die zum Aufbau des Feldes erforderliche Durchflutung liefert. Die Enden des Magneten, die Hauptpole, sind nach innen durch so genannte Polschuhe erweitert, um gleichzeitig eine möglichst grosse Leiterzahl zu erfassen. Den äusseren magnetischen Rückfluss stellt der Jochring sicher. Die Welle der Maschine trägt einen aus Dynamoblechen geschichteten Eisenkörper, der in der Abbildung als Ring dargestellt ist. Der magnetische Kreis ist damit bis auf den erforderlichen Luftspalt […] ganz aus Eisen aufgebaut. Alle Leiterstäbe bilden zusammen mit ihren Verbindungen die Ankerwicklung, die in der Abbildung […] als Ringwicklung ausgeführt ist. Man bezeichnet den ganzen rotierenden Teil als Anker der Gleichstrommaschine. Damit die stromdurchflossenen Leiter im Ständerfeld fortwährend ein Drehmoment erzeugen können, muss beim Wechsel des Polbereichs während der Drehung eine Umschaltung der Stromrichtung im Ankerleiter erfolgen. Dies erreicht man durch den Stromwender, auch Kommutator oder Kollektor genannt, der aus voneinander isolierten Kupfersegmenten oder Lamellen besteht und fest mit dem Blechpaket auf der Welle sitzt. Die einzelnen Spulen der Ankerwicklung sind mit ihren Anfängen und Enden nacheinander an die Segmente angeschlossen. Die Stromzufuhr in die Ankerwicklung erfolgt dann über Kohlbürsten, die mit dem rotierenden Stromwender einen Gleitkontakt geben und die Wicklung zwischen den Hauptpolen einspeisen“1 „Je nachdem, ob Anker- und Feldwicklung in Reihe oder parallel geschaltet sind, bezeichnet man den Gleichstrommotor als Hauptschluss- (Reihenschluss-) oder als Nebenschlussmotor.“2 „Kleine Reihenschlussmotoren mit Leistungen bis ca. 500 Watt werden als Allstrommotoren oder Universalmotoren wahlweise für Gleich- oder Wechselstromspeisung ausgeführt.“3
Universalmotoren
Universal- oder Allstrommotoren sind Elektromotoren, die sowohl mit Gleichstrom als auch mit einphasigem Wechselstrom betrieben werden können. SEYFERT erwähnt entsprechend: „Universalmotoren sind in der Regel für das übliche Wechselspannungs-Versorgungsnetz vorgesehen und werden deshalb in der Literatur auch als Einphasen-Wechselspannungsmotoren aufgeführt. Als ein Haupt-Erkennungsmerkmal ist vor allem das Bürsten-Kommutatorsystem zu nennen. Für Wechselspannung werden in der Regel Bürsten aus Hartkohle verwendet, da sie durch ihre Schleifwirkung die Kommutatoroberfläche zusätzlich reinigen. Häufig wird zur Verbesserung der Betriebseigenschaften die Lamellenzahl des Kommutators doppelt so hoch wie die Nutenzahl des Läufers ausgeführt. […] Der Ständer von Universalmotoren ist stets mit zwei ausgeprägten, symmetrisch aufgebauten Hauptpolen ausgeführt. Im Regelfall sind die Wicklungen getränkt, beziehungsweise „in Füllmasse“. Drehzahländerungen können auch durch Spannungs- bzw. Widerstandssteuerung ermöglicht werden. Bei kleineren Universalmotoren sind auch Phasenanschnittssteuerungen z.B. durch Dioden üblich. Die Eisenkerne der Wicklungen in Ständer und Läufer sind stets aus 0,5 bis 0,7 mm dicken, isolierten Blechen geschichtet. Diese Maßnahme verhindert Energieverlust und Erwärmung durch Wirbelströme. Die Verwendung von Wechselstrom macht diese Maßnahme wegen der auftretenden Wechselfelder in beiden Maschinenteilen erforderlich. Die typischen Drehzahlbereiche von Universalmotoren liegen über 3000 bis etwa 25000 U/min. Die jeweilige Drehzahl ist von der Windungszahl der Spulen in den Wicklungen abhängig. Je weniger Windungen, desto schneller die Drehzahl, bzw. desto niedriger die erforderliche Betriebsspannung. Der entscheidende, technische Vorteil von Universalmotoren ist die geringe Größe bei relativ hoher Leistungsabgabe, was sie für den Einsatz in mobilen, bzw. von Hand zu führenden Geräten so attraktiv macht. Nachteilig wirkt sich der verhältnismäßig hohe […] Wartungsaufwand, sowie das relativ laute Betriebsgeräusch aus. Die typischen Leistungsaufnahmen reichen von einigen wenigen bis etwa 2000W.
Dreh- und Wechselstrommotoren
„Drehstrommotoren werden mit Dreiphasenwechselstrom bzw. „Drehstrom“ betrieben. Diese Stromart führt in drei getrennten Leitern jeweils eine eigene periodisch wechselnde Spannung, deren zeitliche Abläufe gegenüber den anderen beiden Leiterspannungen um jeweils 120° vor- bzw. nachlaufend versetzt sind. Speist man drei Elektromagnet-Spulen mit jeweils einer Leiterspannungsphase des Drehstromsystems, dann wird in jeder Spule ein Magnetfeld erzeugt, dessen zeitlicher Ablauf genauso wie der Spannungsverlauf gegenüber den anderen Spulen-Feldern um eine Drittelperiode versetzt ist. Ordnet man diese drei Spulen in einem Kreis zueinander an, so ergibt sich aus den einzelnen Spulen- Magnetfeldern ein summiertes Magnetfeld, das zwar von gleich bleibender Größe ist, seine Richtung jedoch im Einklang mit der Frequenz bzw. der Perioden-Wiederholung des Drehstromes fortlaufend ändert. Dieses summierte Magnetfeld „dreht“ sich mit der Geschwindigkeit, die durch die Frequenz vorgegeben ist. Bei 50 Periodenwechseln pro Sekunde des Drehstroms (bzw. 50 Hz) dreht sich das Magnetfeld ebenfalls 50-mal in der Sekunde (oder 3000-mal in der Minute) um sich selbst. Bringt man in dieses rotierende Magnetfeld an einer mittig angeordneten Achse einen magnetischen Gegenstand ein, beispielsweise einen Stabmagneten oder einen einfachen Eisenkörper, so wird dieser „Rotor“ mitgedreht.“5
Synchronmotor
Die Effizienz des Drehfeldmotors wird durch die Ausstattung des Rotors mit eigenen Spulen erhöht, in denen durch den Stromfluss ebenfalls ein magnetisches Feld entsteht, das mit dem Feld der drei festen (Stator-)Spulen zusammenwirkt. Der Rotor, auch Läufer genannt, ist ein Polrad (mind. ein Polpaar) oder ein Vollpolläufer, der eine Erregerwicklung trägt. Wird diese Erregerwicklung von außen über Schleifringemit Gleichstrom gespeist, erzeugt sie ein Magnetfeld. Bei Maschinen kleiner Leistung kann die Erregerwicklung durch Permanentmagnete ersetzt werden. Da der Läufer immer synchron mit dem Statordrehfeld läuft, nennt man diese Maschinen Drehstrom-Synchronmotor.6
Asynchronmotor
Eine andere Form ist, dass die Rotorspulen kurzgeschlossene Leiterschleifen sind, die nicht von außen gespeist werden. Durch das drehende äußere Magnetfeld wird jedoch in ihnen eine Spannung induziert, die zu einem Stromfluss und damit ebenfalls einem eigenen Rotor-Magnetfeld führt, das sich mit dem Stator-Feld verknüpft und den Rotor dabei mitdreht. Die Voraussetzung ist dabei, dass der Rotor geringfügig langsamer drehen muss als das Stator-Drehfeld, damit sich das Magnetfeld innerhalb des mitdrehenden Rotors ständig ändert, was wiederum die Voraussetzung für die Induktion von elektrischer Spannung in den Rotor-Leitern ist. Asynchronmotoren nennt man daher auch Drehstrom- Asynchronmotor. Da die Rotorspulen typischerweise kurzgeschlossen sind, wird dieses Bauprinzip auch als „Kurzschlussläufermotor“ bezeichnet. Das Prinzip des Kurzschlussläufer-Rotors lässt sich extrem vereinfachen zu einem rein metallischen Gegenstand, der nicht aus Eisen sein muss. Dies funktioniert beispielsweise mit einer Konservendose, durch die eine Achse in Längsrichtung führt. Diese Wirkung ergibt sich daraus, dass diese Dose (oder andere metallische Gegenstände von passender Größe) praktisch ein Paket von kurzgeschlossenen Leiterschleifen in unendlich großer Zahl darstellen. Diese Vereinfachungsmöglichkeit lässt eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung sowie auch eine weitgehende Wartungsfreiheit von Drehstrom-Asynchronmotoren zu und hat zu deren weiter Verbreitung geführt. Durch die Anwendung eines Frequenzumrichters, teilweise schon im Gehäuse integriert, kann die Drehzahl fast wie bei Universalmotoren variiert werden.7 Der unten dokumentierte Parvalux-Motor ist in seiner Bauart ein Drehstrommotor (3 Phasen), der jedoch als einphasiger Asynchronmotoren verwendet wird, indem der freie dritte Strang über einen Kondensator (Hilfsphase) an das Stromnetz angeschlossen wird.