Die Animation stellt die Funktionsweise und das Betriebsverhalten von Elektromotoren dar. Es werden Reihen- und Nebenschlussmotoren gegenübergestellt.
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Beschreibung
Elektromotoren wandeln elektrische in mechanische Energie um. Sie bestehen aus einem Stator (feststehender Teil) und einem Rotor (beweglicher Teil). Sowohl im Stator als auch im Rotor bilden sich dynamische Magnetfelder. Durch die Wechselwirkung beider Magnetfelder setzt sich der Rotor in Bewegung.
In der Realität sind meist zwei Parameter eines Elektromotors direkt veränderbar: die Drehzahl und das Drehmoment. Drehzahl und Drehmoment beeinflussen sich gegenseitig. Wird eine Bohrmaschine gegen ein Werkstück gedrückt, steigt das Drehmoment und die Drehzahl sinkt.
Der Zusammenhang von Drehzahl und Drehmoment variiert je nach Bauart des Motors. Einen großen Einfluss hat der Motortyp (Reihenschluss oder Nebenschluss).
Reihenschlussmotor: Hierbei sind der Anker und die Erregerwicklung in Reihe geschaltet. Diese Motoren bieten ein hohes Anlaufdrehmoment und werden häufig in Anwendungen mit variabler Last eingesetzt, wie beispielsweise in elektrischen Zügen.
Nebenschlussmotor: Der Anker und die Erregerwicklung sind parallel geschaltet. Diese Motoren bieten eine konstante Drehzahl und werden oft in Anwendungen mit konstanter Last verwendet, wie zum Beispiel in Ventilatoren oder Pumpen.
Grundsätzlich gilt, dass das Drehmoment eines Motors proportional zum Ankerstrom ist. Die folgende Formel gilt für sämtliche Elektromotoren:
\[ M = c \cdot \phi \cdot I_A \]
- M: Drehmoment
- c: Motorkonstante
- Φ: magnetischer Fluss
- IA: Ankerstrom
Der Parameter c ist eine für den jeweiligen Motor spezifische Konstante. An der Konstante lässt sich die Leistungsfähigkeit des Motors ablesen. Es handelt sich um eine wichtige Herstellerangabe. Der Fluss Φ ist eine physikalische Größe, die das magnetische Feld im Motor beschreibt.
Der Innenwiderstand eines Motors beeinflusst den Stromverbrauch und damit das Drehmoment. Ein niedrigerer Innenwiderstand führt zu einer höheren Stromaufnahme und folglich zu einem höheren Drehmoment.
Der Innenwiderstand hängt nicht nur vom Leitermaterial ab (ohmsche Komponente), sondern kann sich auch während des Betriebs verändern (induktive Komponente). Die Ursache ist die Gegeninduktion: Bewegt sich ein Leiter in einem Magnetfeld, wird eine Gegenspannung erzeugt. Bei geringer Drehzahl ist dieser Effekt gering.
Die folgende Formel erweitert das ohmsche Gesetz um den Innenwiderstand der Spannungsquelle:
\[ I_A = \frac{U – U_i}{R_A} \]
- IA: Ankerstrom
- U: Klemmenspannung
- Ui: induzierte Gegenspannung (Gegen-EMK)
- RA: Ankerwiderstand
Ein Reihenschlussmotor ist ein Elektromotor, bei dem der Anker und die Erregerwicklung in Reihe geschaltet sind. Mit zunehmender Drehzahl steigt die Gegen-EMK (Gegenspannung), wodurch der Strom und damit das Drehmoment sinken.
Im Gegensatz dazu sind bei einem Nebenschlussmotor der Anker und die Erregerwicklung parallel geschaltet. In einer Parallelschaltung wirkt sich die Erhöhung eines Widerstands in der Regel weniger stark auf den Gesamtwiderstand der Schaltung aus. Somit nimmt ein Nebenschlussmotor auch unter starker Belastung noch genug Strom auf.
Aus den unterschiedlichen Kennlinien ergeben sich verschiedene Einsatzbereiche. Bei einem Zug ist eine langsame Anfahrt (hohes Drehmoment und geringe Drehzahl) durchaus wünschenswert. Bei einer Pumpe kann es wichtig sein, dass auch unter Belastung eine konstante Drehzahl vorliegt.
Neutrale Zone
In der Animation wird auch das dynamische Magnetfeld dargestellt, das sich aus der Vereinigung des Stator- und des Rotormagnetfelds ergibt.
Wenn sich das Drehmoment des Motors erhöht (z.B. durch Belastung), hat dies zur Folge, dass die Stromstärke im Rotor ansteigt. Dadurch verstärkt sich auch das Magnetfeld des Rotors. Das resultierende Magnetfeld wird stärker verzerrt.
Die neutrale Zone in einem Elektromotor, auch als neutrale Linie oder Nullpunkt bezeichnet, ist der Bereich im Magnetfeld des Motors, in dem die Kommutatoren keine Spannung induzieren. Dieser Bereich ist entscheidend für den reibungslosen Betrieb des Motors.
Wenn die Bürsten des Kommutators in der neutralen Zone auf die Lamellen treffen, ist die induzierte Spannung minimal. Dies reduziert die Funkenbildung, die zu Abnutzung der Bürsten und des Kommutators führen kann.
Die richtige Positionierung der Bürsten in der neutralen Zone sorgt dafür, dass der Stromfluss durch die Wicklungen optimal ist. Dies maximiert die Effizienz des Motors.
In der Animation wird die Position der neutralen Zone durch eine gestrichelte Linie markiert.
Unter Last wird das Magnetfeld des Rotors stärker und verzerrt das Gesamtfeld. Dadurch verschiebt sich die neutrale Zone aus ihrer ursprünglichen Position. Wenn die Bürsten fest montiert bleiben, sitzen sie nicht mehr in der tatsächlichen neutralen Zone. Die Folge ist verstärkte Funkenbildung bei der Kommutierung.
Diese Funkenbildung beschleunigt den Verschleiß an Bürsten und Kommutatorlamellen. Gleichzeitig sinkt der Wirkungsgrad des Motors. In der Praxis benötigen Motoren mit stark wechselnder Last eine sorgfältige Bürstenpositionierung oder Kompensationswicklungen, um diese Verschiebung auszugleichen.
Kennlinien
Die Kennlinie eines Motors zeigt den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmoment. Dieser Zusammenhang bestimmt das Verhalten des Motors unter Last.
Beim Reihenschlussmotor fällt die Kennlinie steil ab. Bei niedriger Drehzahl ist das Drehmoment hoch. Mit steigender Drehzahl wächst die Gegenspannung. Dadurch sinkt der Strom durch Anker und Erregerwicklung, und das Drehmoment nimmt ab.
Beim Nebenschlussmotor verläuft die Kennlinie flach. Die Drehzahl bleibt unabhängig von der Last nahezu konstant. Die Erregerwicklung erhält durch die Parallelschaltung eine konstante Spannung, sodass sich nur der Ankerstrom ändert.
Die Gegenspannung hängt von Drehzahl und magnetischem Fluss ab:
\[ U_i = c \cdot \Phi \cdot n \]
- Ui: Gegenspannung
- c: Motorkonstante
- Φ: magnetischer Fluss
- n: Drehzahl
Beim Reihenschlussmotor sinken Strom und Fluss gemeinsam mit steigender Drehzahl. Das führt zu einem steilen Abfall des Drehmoments. Beim Nebenschlussmotor bleibt der Fluss konstant, da sich die Spannung an der Erregerwicklung nicht ändert. Das Drehmoment sinkt nur proportional zum Ankerstrom.
Direkter Vergleich
Die folgende Tabelle fasst die wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden Motortypen zusammen:
| Eigenschaft | Reihenschlussmotor | Nebenschlussmotor |
| Schaltung | Anker und Erregerwicklung in Reihe | Anker und Erregerwicklung parallel |
| Anlaufdrehmoment | Hoch | Mittel |
| Drehzahl unter Last | Sinkt deutlich | Bleibt nahezu konstant |
| Leerlaufverhalten | Drehzahl kann gefährlich ansteigen (Durchgehen) | Stabile Drehzahl |
| Drehzahlregelung | Über Speisespannung oder Vorwiderstand | Über Erregerstrom oder Ankerspannung |
| Typische Anwendungen | Züge, Kräne, Anlasser | Ventilatoren, Pumpen, Werkzeugmaschinen |
Anwendungsbeispiele
Reihenschlussmotoren liefern hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Das macht sie geeignet für Anwendungen, bei denen schwere Lasten aus dem Stillstand beschleunigt werden müssen.
Beispiele sind elektrische Züge und Straßenbahnen, bei denen der Motor große Massen bewegen muss. Kräne und Aufzüge nutzen ebenfalls Reihenschlussmotoren, da die Last variiert und hohe Anfahrkraft gebraucht wird. Anlasser in Verbrennungsmotoren funktionieren nach dem gleichen Prinzip: ein kurzer Stoß mit hohem Drehmoment, um den Motor zu drehen.
Nebenschlussmotoren halten die Drehzahl unter wechselnder Last konstant. Ventilatoren und Kreiselpumpen erfordern das, da Drehzahlschwankungen den Luftstrom oder den Flüssigkeitsdruck beeinflussen würden.
Drehmaschinen und Fräsmaschinen profitieren ebenfalls von konstanter Drehzahl, da der Zerspanungsprozess auf gleichmäßige Rotation angewiesen ist. Fördersysteme nutzen Nebenschlussmotoren, um Material mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zu transportieren.
Geschichte
Die Geschichte des Elektromotors beginnt 1821 mit Michael Faraday. Er wies nach, dass ein stromdurchflossener Leiter um einen Magneten rotiert. Das war der erste Beweis, dass elektrische Energie eine kontinuierliche Bewegung erzeugen kann.
1834 baute Moritz Hermann von Jacobi den ersten Elektromotor mit nutzbarer mechanischer Leistung. Sein Motor erreichte etwa 15 Watt. 1838 trieb er mit einer verbesserten Version ein Boot auf der Newa in St. Petersburg an, das 14 Passagiere beförderte.
Die Unterscheidung zwischen Reihenschluss und Nebenschlussmotoren entstand in den 1870er und 1880er Jahren. Ingenieure erkannten, dass die Verschaltung der Erregerwicklung das Betriebsverhalten bestimmt. Werner von Siemens und andere nutzten diese Erkenntnis, um Motoren für bestimmte Zwecke zu bauen.
Ab den 1880er Jahren verbreiteten sich elektrische Straßenbahnen. Reihenschlussmotoren erwiesen sich als ideal für diese Anwendung aufgrund ihres hohen Anlaufdrehmoments. Städte wie Berlin (1881), Wien und New York führten innerhalb weniger Jahre elektrische Traktion ein. Der Nebenschlussmotor fand seinen Platz in industriellen Antrieben, bei denen eine konstante Drehzahl gefordert war.
Moderne Alternativen
Reihenschluss und Nebenschlussmotoren werden heute noch eingesetzt, aber moderne Alternativen haben sie in vielen Bereichen ersetzt.
Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) nutzen elektronische Kommutierung statt mechanischer Bürsten. Das beseitigt Bürstenverschleiß und Funkenbildung. BLDC Motoren sind verbreitet in Computerlüftern, Drohnen und Elektrofahrzeugen.
Drehstromasynchronmotoren dominieren industrielle Anwendungen. Sie sind robust, wartungsarm und lassen sich mit Frequenzumrichtern präzise steuern. Die meisten Fabrikantriebe nutzen heute diesen Typ.
Permanentmagnetsynchronmotoren bieten hohen Wirkungsgrad bei kompakter Bauform. Sie kommen in modernen Elektroautos zum Einsatz, wo Gewicht und Effizienz entscheidend sind.
Trotz dieser Alternativen bleibt der Reihenschlussmotor relevant im Bahnbetrieb und in Elektrowerkzeugen. Das Prinzip des Nebenschlussmotors lebt in fremderregten Gleichstrommotoren weiter, die in Präzisionsanwendungen genutzt werden. Das Verständnis dieser grundlegenden Motortypen bleibt wichtig, um die Funktionsweise moderner Antriebe zu begreifen.
Verwandte Animationen
HD-Animationen
Überblick und Download
| Titel | Reihen- und Nebenschlussmotoren |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Plattformen | Microsoft® Windows® Apple® Macintosh® (versionsabhängig) |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | Freeware |
| Download | Kontakt |
Mitwirkende
C. Hein, S. Rikowski
Quellangaben
- Bezierkurven Magnetfeld: Erstellt mit ActionScript-3-Klasse CubicBezier von Andy Woodruff. (http://www.cartogrammar.com/blog)
- Formeln: Erzeugt mit http://www.codecogs.com/latex/eqneditor.php
- Autorenwerkzeug (Steuerungselemente mitgeliefert): Adobe Animate
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