Elektrische Maschinen

2	Gleichstrommaschinen

Geschichtliche Entwicklung. Auf Grund der geschichtlichen Entwicklung der Starkstromtechnik, die mit der Energie von galvanischen Elementen ihren Anfang nahm, entstand als erster elektromechanischer Energiewandler die Gleichstrommaschine. Bereits 1832 baute der Franzose H. Pixii den ersten Generator für zweiwelligen Gleichstrom. Die weitere Entwicklung ist u. a. mit den Namen A. Pacinotti, der 1860 einen Motor mit Ringwicklung und vielteiligem Stromwender fertigte, und F. v. Hefner-Alteneck, der 1872 den Trommelanker erfand, verknüpft. Einen wesentlichen Beitrag leistete im Jahre 1866 W. Siemens mit der Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips. Durch die damit gegebene Möglichkeit der Selbsterregung von Generatoren war eine Voraussetzung für den Großmaschinenbau geschaffen.

Mit der Einführung des Drehstroms etwa ab 1890 verlor die Gleichstrommaschine ihre beherrschende Stellung an die Synchrongeneratoren und Induktionsmotoren. Begünstigt durch ihre sehr gute Regelbarkeit mit galvanisch und magnetisch getrennten Kreisen für Ankerwicklung und Erregerwicklung sowie den einfachen Aufbau gesteuerter Gleichrichter mit hoher Regelqualität hat die Gleichstrommaschine bislang einen begrenzten Marktanteil behauptet [152].

Leistungsbereich. Der mögliche Fertigungsbereich reicht von Kleinstmotoren mit Leistungen von unter einem Watt für die Feinwerktechnik bis zu den Großmaschinen. Dauermagneterregte Motoren bis ca. 100 W werden in großer Stückzahl in der Kfz-Elektrik als Scheibenwischer-, Gebläse- und Stellmotoren eingesetzt. Im Bereich der Servoantriebe bis zu Leistungen von einigen kW gibt es auch eine Reihe spezieller Bauformen wie Scheibenläufer- und Glockenankermotoren. Den früher vorherrschenden Einsatz als drehzahlgeregelter Industrieantrieb in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen, Walzenstraßen und auch als Fahrmotor in Bahnen hat der Gleichstrommotor vollständig an die Drehstrommotoren verloren. In ihrer Hochzeit bis in die 70er Jahre wurden Motoren mit Leistungen von über 10 MW gebaut. Der Gleichstromgenerator hat dagegen seit der Erfindung der gesteuerten Stromrichter keine Bedeutung mehr.

2.1	Aufbau und Bauteile

2.1.1

Prinzipieller Aufbau

Erzeugung eines Drehmoments. Die Grundkonstruktion einer Gleichstrommaschine kann man am Beispiel des Motorbetriebs anschaulich als Anwendung des Kraftwirkungsgesetzes nach F = B ⋅ l ⋅ I erklären. Man benötigt danach ein Magnetfeld der Flussdichte B im Luftspalt der Feldpole und darin drehbar angeordnet Leiter der Länge l, die einen Strom I führen. Die Stromzufuhr muss dabei so erfolgen, dass stets alle Leiter eines Polbereichs gleichsinnig durchflossen sind. Dieser Gedanke ist in der einfachen Anordnung nach Bild 2.1, das bereits alle wesentlichen Bauteile der Gleichstrommaschine enthält, verwirklicht.

 

Der feststehende Ständer aus massivem oder geblechtem Eisen trägt einen Elektromagneten, 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 Rückschluss stellt der Jochring sicher.

Die Welle der Maschine trägt einen aus Dynamoblechen geschichteten Eisenkörper, der in Bild 2.1 als Ring dargestellt ist. Der magnetische Kreis ist damit bis auf den erforderlichen Luftspalt ganz aus Eisen mit μr » 1 aufgebaut. Alle Leiterstäbe bilden zusammen mit ihren Verbindungen die Ankerwicklung, die in Bild 2.1 wie in den Anfängen des Elektromaschinenbaus als Ringwicklung ausgeführt ist. Man bezeichnet den ganzen rotierenden Teil als Anker der Gleichstrommaschine.

Funktion des Stromwenders. Damit die mit IL (Bild 2.1) 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 Kohlebürsten, die mit dem rotierenden Stromwender einen Gleitkontakt geben und die Wicklung zwischen den Hauptpolen einspeisen. Wechselt ein Leiter durch diese neutrale Zone, so ändert sich nach Bild 2.1 auch seine Stromrichtung. Der Stromwender erfüllt damit die Funktion eines mechanischen Schalters, und in den Ankerstäben fließt ein zeitlich etwa rechteckiger Wechselstrom.

Erzeugung einer Gleichspannung. Rotiert ein Gleichstromanker im Ständerfeld der Luftspalt-Flussdichte B, so wird in den Leiterstäben entlang des Umfangs nach Uq = B ⋅ l ⋅ v eine Spannung induziert. Durch die Reihenschaltung der Spulen addieren sich deren Spannungen Usp zwischen benachbarten Kohlebürsten (Bild 2.2) und bilden in ihrer Summe die Quellenspannung der Maschine. Der Stromwender sorgt wieder dafür, dass stets der Maximalwert und damit eine Gleichspannung an den Ankerklemmen auftritt.

 

Der Aufbau einer Gleichstrommaschine nach Bild 2.1 gestattet also ohne Änderungen den Motor- und den Generatorbetrieb. Die in der Ankerwicklung induzierte Gesamtspannung zwischen den Kohlebürsten hat beim Generator die Funktion einer Quellenspannung, beim Motor wirkt sie als induzierte Spannung der von außen angelegten Gleichspannung entgegen.

Polteilung. Größere Gleichstrommaschinen werden nicht nur mit zwei Hauptpolen, sondern höherpolig ausgeführt (Bild 2.3). Der Bereich eines Poles am Ankerumfang, die Polteilung, sinkt dann auf den Betrag

 

wobei p die Polpaarzahl bedeutet. Jedes Polpaar erhält je eine Plus- und eine Minusbürste, wobei gleichnamige Bürsten untereinander verbunden sind. Die nach Bild 2.1 erläuterte, grundsätzliche Wirkungsweise der Maschine bleibt vollständig erhalten.

Beispiel 2.1: Wie viel Leiter zges am Ankerumfang benötigt eine vierpolige Gleichstrommaschine mit Ringwicklung nach Bild 2.1 und einem Ankerdurchmesser dA = 34 cm, der Länge l = 20 cm bei n = 1800 min−1 zur Erzeugung der Leerlaufspannung U0 = 220 V? Das Erregerfeld besitze einen rechteckförmigen Verlauf der Luftspaltflussdichte von konstant BL = 0,86 T und erfasse gleichmäßig 70 % der Polteilung.

Spannung eines Leiters Uq = BL ⋅ l ⋅ ν, ν = π ⋅ dA ⋅ n

Zwischen zwei Bürsten tragen 0,7 ⋅ zges /2p Leiter zur Spannungsbildung bei, damit ist

Aufgabe 2.1: Obiger Ringanker wird in einen passenden zweipoligen Ständer eingebaut. Die Luftspaltflussdichte beträgt wieder BL = 0,86 T über 70 % der neuen Polteilung. Bei welcher Drehzahl wird jetzt die Leerlaufspannung U0 = 220 V erreicht?

Ergebnis: n = 900 min−1

2.1.2

Bauteile einer Gleichstrommaschine

Die Anforderungen der Stromrichtertechnik, deren Schaltungen heute fast immer die Energieversorgung und Steuerung der Gleichstrommaschine übernehmen, haben deren Konstruktion wesentlich verändert. So wurde aus dem klassischen Aufbau mit einem runden Ständergehäuse aus Massivstahl die vollgeblechte, eckige Ausführung der Schnittzeichnung in Bild 2.4 [13, 14].

 

Ständer. Zur Aufnahme der magnetischen Gleichfelder der Haupt- und Wendepole genügt prinzipiell ein Massivmaterial, so dass für Maschinen mit geringen regeltechnischen Anforderungen ein Jochring 1 aus Walzstahl gewählt werden kann. Die Hauptpole 2 bestehen immer aus gestanzten Blechen, die mit mehreren Bolzen zu einem festen Paket zusammengepresst werden. Über dem Polkern liegt die Erregerwicklung 4, während bei Bedarf in Nuten entlang des Polschuhs eine Kompensationswicklung untergebracht ist. Zwischen den Hauptpolen sitzen Wendepole 3, die wie später dargestellt, für einen funkenfreien Betrieb des Stromwenders erforderlich sind. Alle Pole erhalten radiale...