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Einphasen-Reihenschlussmotor für Gleich- und Wechselstrom

Universeller Antrieb für das Einphasenwechselspannungsnetz
Was leistet der Universal- oder Reihenschlussmotor?

Was für das industrielle Umfeld der Drehstromasynchronmotor ist, stellt für Elektrowerkzeuge, Haushaltsgeräte und unzählige weitere Anwendungen der Einphasen-Reihenschlussmotor dar. Werden ein geringes Gewicht und eine hohe Leistung gefordert, kommt dieser Universalmotor zum Einsatz.


Inhaltsverzeichnis
1. Aufbau des Einphasen-Reihenschlussmotors
2. Konstantes Drehmoment bei Gleichstrom
3. Anwendungsbereiche des Universalmotors
4. Flexibilität bei der Drehzahlregelung von Einphasen-Reihenschlussmotoren
5. Die wichtigsten Normen für Universalmotoren

Der Einphasen-Reihenschlussmotor hat von allen Elektromotoren das höchste Anlauf-Drehmoment, arbeitet sowohl mit Gleich- als auch Wechselspannung und kann auch ohne aufwendige elektronische Beschaltung gut geregelt werden und dabei hohe Drehzahlen erreichen. Beim Betrieb an Wechselstrom ist die Motordrehzahl lastabhängig, während an Gleichspannung das Drehmoment eher zeitlich konstant ist. Ist Restmagnetismus vorhanden, ist auch der Generatorbetrieb möglich. Nachteilig auf die Lebensdauer wirkt sich jedoch die erforderliche Kommutierung mittels Graphit- oder Kupferbürsten aus.

Der Einphasen-Reihenschluss-Elektromotor lässt sich ohne konstruktive Änderungen im Aufbau sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betreiben. Vom Gleichstrom-Reihenschlussmotor unterscheidet er sich dabei nur in wenigen Details bzw. im konstruktiven Aufbau. Um beim Betrieb an Wechselspannung die auftretenden Wirbelstromverluste zu reduzieren, muss der gesamte magnetische Kreis aus Dynamoblechen aufgebaut sein. Da Stator und Anker in Reihe geschaltet sind, sind Anker- und Erregerstrom stets gleichphasig. Und da der Erreger- und der Ankerstrom immer auch gleichzeitig ihr ihr Vorzeichen ändern, bleiben Moment und Drehrichtung stets gleich.

Obwohl die Einphasen-Reihenschlussmotoren in der Regel für den direkten Betrieb am Energienetz und damit für den Betrieb an Wechselspannung ausgelegt sind, lassen sie sich auch mit Gleichspannung betreiben. Im Umkehrschluss ist es jedoch nicht möglich, Gleichstrommotoren am Wechselspannungsnetz zu betreiben. Aufgrund des fehlenden induktiven Blindwiderstandes ist die Leistung bei Gleichspannung um etwa 15 % höher.

Aufbau des Einphasen-Reihenschlussmotors

Namensgebend ist die Reihenschaltung von Ständer- bzw. Erregerwicklung. Der Einphasen-Reihenschlussmotors besteht in der Regel aus gestanzten Blechpaketen bzw. aus Dynamoblechprofilen, deren einzelne Bleche gegen die auftretenden Wirbelströme isoliert sind. Sowohl Ständer- als auch Ankerblechpakete sind meist aus mehreren Polpaaren aufweisen. Dabei wirken die Teilspulen einer Erregerwicklung als Induktivitäten und tragen zur Funkentstörung bei. Der Rotor besteht aus einem auf der Achswelle aufgebrachten Ankerblechpaket und der Ankerspulenwicklung. Die Ankerwelle ist im Ständergehäuse gelagert und liefert das Drehmoment. Auf einer Seite des Ankerblechpakets ist der Kommutator angeordnet, durch den die Ströme der Ankerspulenwicklung über die im Ständer angebrachten Kohle- oder Kupferbürsten geführt werden.

Konstantes Drehmoment bei Gleichstrom

Beim Einphasen-Reihenschlussmotor stehen im Betrieb die Magnetfelder von Stator und Rotor quer zueinander, sodass eine Kraft entsteht, durch die der Anker gedreht wird. Da nach jeder Ankerdrehung am Kommutator ein Polaritätswechsel folgt, bleibt die Kraftwirkung erhalten, sodass sich der Ursprungszustand des Magnetfelds von neuem einstellt und sich der Anker weiter dreht. Da diese Umpolung sowohl bei Wechsel- als auch bei Gleichstrom erfolgt, werden immer beide Wicklungen umgepolt und das Laufverhalten des Motors ändert sich nicht. Wird der Motor an einer sinusförmigen Wechselspannung betrieben, zeichnet sich das Drehmoment durch die doppelte Sinusfrequenz aus. Gleichstrom erzeugt dagegen ein konstantes Drehmoment. Bei sinusförmiger Umpolung des Statorfeldes tritt an den Kohlen des Kommutators eine Spannung auf, die zu einem hohen Verschleiß an den Bürsten führt, was die Lebensdauer des Motors im Vergleich zu Asynchronmotoren deutlich reduziert. Dieser Effekt erfordert außerdem eine Funkentstörung des Motors mittels Kondensatoren.

Eine besondere Eigenschaft des Einphasen-Reihenschlussmotors besteht darin, dass bei sinkendem Last- bzw. Drehmoment sowie des Erregerstroms eine permanente Drehzahlsteigerung auftritt, die zur Zerstörung des Motors führen kann. Da sich Reihenschlussmotoren durch keine Grenzdrehzahl auszeichnen, sind entsprechende Schutzmaßnahmen erforderlich. Oft begrenzen jedoch ein geringer Wirkungsgrad aufgrund von Lagerreibung beispielsweise bei Haushaltsgeräten oder geeignete Begrenzer die Drehzahl der Motoren. Da sich der Universalmotor durch ein hohes Anlaufmoment auszeichnet, fließt beim Einschalten aus dem Stillstand auch der höchste Strom. Unter Belastung nimmt die Drehzahl ab, während das Drehmoment bei verringerter Drehzahl wieder ansteigt, sodass sich ein stabiler Arbeitspunkt einstellt.

Anwendungsbereiche des Universalmotors

Eine wesentliche Rolle hat der Einphasen-Reihenschlussmotor als Bahnmotor gespielt und war bis etwa 1980 im Einsatz. Heute finden in den modernen Lokomotiven mittels Frequenzumrichtern gespeiste Drehstromasynchronmotoren Anwendung. Einphasen-Reihenschlussmotoren gehören als Universalmotoren heute zu den wichtigsten Kleinmotoren. Sie kommen in allen aus dem Netz gespeisten Elektrowerkzeugen und in praktisch jedem elektrischen Haushaltsgerät sowie in der Medizintechnik zum Einsatz. Am Beispiel von Waschmaschinen wird die Flexibilität deutlich: Es lassen sich Drehrichtung und Drehzahl steuern und mit einem Motor kann sowohl gewaschen als auch geschleudert werden, es sind so verschiedene Drehzahlen möglich, ohne dass ein Getriebe erforderlich ist.

Flexibilität bei der Drehzahlregelung von Einphasen-Reihenschlussmotoren

Um die Drehzahl von Universalmotoren zu regeln, lassen sich verschiedene Techniken nutzen. Die Chopper- oder Impulssteuerung ist eine verlustarme Technik zur Drehzahlsteuerung von Einphasen-Reihenschlussmotoren. Mithilfe von Thyristoren oder Transistoren wird die Gleichspannung zerhackt, sodass der Effektivwert der getakteten Spannung ähnlich wie bei der Pulsweitenmodulation von der Taktung abhängt. Um den gewünschten Effektivwert der Spannung zu erreichen, wird die Einschaltdauer entsprechend variiert. Das Drehmoment ist proportional zum Quadrat des mittels Choppern geregelten elektrischen Stromes. Bei Haushaltsgeräten oder Elektrowerkzeugen werden Halbleitersteller zur Phasenanschnittsteuerung genutzt. Eine weitere Methode der Drehzahlregelung besteht darin, die Motorspannung zu regeln bzw. im einfachsten Fall Vorwiderstände zu nutzen.

Bei komplexeren Anforderungen ist es möglich, mithilfe von Mikrocontrollern die Drehzahl zu steuern und zu regeln. Dabei können auch weitere Parameter wie Betriebstemperatur oder Lastmoment erfasst werden. (ge)

Die wichtigsten Normen für Universalmotoren

  • EN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen
  • EN 60 034 Teil 8 Anschlussbezeichnungen und Drehsinn für elektrische Maschinen
  • DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufende elektrische Maschinen
  • EN 60034-5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen
  • EN 60034-6 Kühlarten, drehende elektrische Maschinen

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