Arten von Wechselstrom-Kommutatormotoren

AC Kommutator Motoren befinden sich derzeit in einer schwierigen Lage: hohes Anlaufdrehmoment, großer Drehzahlbereich, kompakte Bauformen und ständige Auseinandersetzung mit Bürstenverschleiß und Kommutierungsgrenzen. Sie sind nicht mehr der Standardantrieb in der Industrie, aber wenn Sie mit älteren Anlagen, Geräten oder Spezialmaschinen arbeiten, müssen Sie dennoch wissen, um welchen Typ es sich tatsächlich handelt und was dies für die Steuerung, die Stromqualität und die Wartung bedeutet.

Was Ingenieure unter einem “AC-Kommutatormotor” verstehen”

Der Begriff umfasst Maschinen, die mit Wechselstrom betrieben werden, jedoch einen segmentierten Kommutator und Bürsten zur Steuerung des Rotorstroms verwenden. Mit anderen Worten: Sie übernehmen die mechanische Umschaltung von Gleichstrommaschinen, akzeptieren jedoch eine sinusförmige Versorgung. In Lehrbüchern werden sie normalerweise getrennt von Induktions- und Synchronmotoren behandelt, da sich ihre Drehmoment-Drehzahl-Kurven, ihr Leistungsfaktorverhalten und ihr Wartungsprofil deutlich unterscheiden.

Es gibt zwei große Familien. Einphasige Typen entwickelten sich direkt aus Gleichstrom-Reihenschlussmotoren: Wechselstrom-Reihenschlussmotoren, kompensierte Reihenschlussmotoren, Universalmotoren und die Repulsionsvarianten. Mehrphasige Kommutatormotoren, hauptsächlich der Schrage-Motor und seine Verwandten, nutzen die eingespeiste Rotor-EMK, um eine gleichmäßige variable Drehzahl zu erzielen und gleichzeitig mit einem Drehstromnetz synchronisiert zu bleiben.

Sie wissen bereits, wie die Wicklungen angeschlossen sind und wie die Kommutierung funktioniert. Interessant ist nun, wie sich die Varianten in der Praxis unterscheiden: Drehmomentverhalten, Steuerungsoptionen, typische Leistungsstufen und wie man sie in einer Anlage einsetzt, die auch über frequenzgeregelte Induktionsmaschinen und moderne Antriebe verfügt.

Klassifizierung des Gesamtbildes

Die meisten modernen Beschreibungen von Wechselstrommaschinen führen folgende Kommutatortypen auf: Reihenschluss, kompensierter Reihenschluss, Nebenschluss, Repulsions-, Repulsions-Induktions-, Repulsions-Start-Induktions-Lauf sowie Mehrphasenkonstruktionen wie der Schrage-Motor.

Die folgende Tabelle gibt einen kompakten Überblick, bevor wir jede Gruppe einzeln durchgehen. Die Zahlen sind nur Richtwerte, aber für das Denken auf Designebene ausreichend.

Mit dieser Karte im Kopf erscheinen die Varianten nicht mehr als lange Liste, sondern bilden zwei oder drei Gruppen, die sich in ihrer Funktionsweise deutlich voneinander unterscheiden.

Serienfamilie: Motoren der AC-Serie und kompensierte Motoren

Ein einfacher Wechselstrom-Reihenschlussmotor ist im Wesentlichen ein Gleichstrom-Reihenschlussmotor, der gerade so weit angepasst wurde, dass er mit Wechselstrom betrieben werden kann. Die Reaktanz des Feldes begrenzt den Strom, und die Ankerwicklung sieht aus wie die Sekundärwicklung eines Transformators mit einer kurzgeschlossenen Windung im Stillstand, was den Kommutator belastet. Aus diesem Grund wird in seriösen Lehrbüchern immer wieder betont, dass unkompensierte Wechselstrom-Reihenschlussmotoren nur in sehr kleinen Nennleistungen praktikabel sind.

Der kompensierte Serienmotor behebt dieses Problem durch Hinzufügen einer Kompensationswicklung im Stator, die in Reihe mit dem Anker geschaltet und so positioniert ist, dass ihre magnetomotorische Kraft die Ankerreaktion unter den Polen aufhebt. Dies bewirkt drei Dinge gleichzeitig. Erstens verbessert es die Kommutierung bei niedriger Drehzahl und hoher Last. Zweitens ermöglicht es einen kleineren Luftspalt und weniger Feldwindungen, was den reaktiven Spannungsabfall reduziert und den Leistungsfaktor verbessert. Drittens sorgt sie dafür, dass die Drehmoment-Drehzahl-Kurve über einen sinnvollen Betriebsbereich eher wie bei einem Gleichstrom-Reihenschlussmotor aussieht, anstatt bei einer Laständerung sofort zusammenzubrechen.

Was das Design angeht, wird die Maschine durch Einbau der Ausgleichswicklung zum “Standard”-Wechselstrom-Kommutatormotor. Die meisten historischen Wechselstrom-Reihenschlussmotoren jeder Größe sind tatsächlich kompensierte Reihenschlussmaschinen, auch wenn die Bezeichnung auf dem Typenschild ungenau ist. Die ungenaue Bezeichnung führt zu Problemen, wenn jemand Ersatzbürstenqualitäten oder Daten zum Neuwickeln anhand einer alten Zeichnung spezifiziert, auf der nur “Wechselstrom-Reihenschlussmotor” steht.

Aus Sicht der modernen Steuerung lässt sich die Serienfamilie mit sehr einfacher Elektronik leicht modulieren. Ein Phasenanschnittregler oder Triac-Dimmer kann die Drehzahl auf einfache, aber praktikable Weise variieren. Keine Rückkopplung, nur Leistungsteilung. Der Preis dafür ist Geräuschentwicklung, sowohl akustisch als auch elektromagnetisch, und ein Leistungsfaktor, der bei geringer Last recht schlecht sein kann. Dieser Kompromiss ist bei einer Bohrmaschine oder einem Mixer akzeptabel, wo der Betrieb intermittierend ist und das Netz stabil ist. Er ist jedoch weit weniger akzeptabel, wenn der Motor mehrere zehn Kilowatt in einer Anlage leistet, die bereits mit der Einhaltung der Oberschwingungsvorschriften zu kämpfen hat.

Universalmotoren: gleicher Rahmen, Wechselstrom oder Gleichstrom

Universalmotoren sind einfach kompensierte Reihenschlussmotoren, die so klein gebaut sind, dass Eisenverluste und Kommutierungsgrenzen sowohl bei Wechselstrom als auch bei Gleichstrom tolerierbar bleiben. Ihr Markenzeichen ist ihre Drehzahlfähigkeit: Zehntausende Umdrehungen pro Minute aus einem sehr kompakten Gehäuse, unabhängig von der Art der Stromversorgung.

Das Drehmoment-Strom-Verhältnis ist bei Wechselstrom und Gleichstrom nahezu identisch, da dasselbe Serienfeld verwendet wird. Bei Wechselstrom verringern die Wicklungsinduktivität und die Eisenverluste die Drehzahl etwas, aber die Sättigung an den Spitzen der Sinuswelle treibt sie wieder nach oben; der Nettoeffekt ist eine Drehzahl, die sich zwischen Gleichstrom und 50/60 Hz nicht wesentlich ändert.

In der Praxis sind Universalmotoren die einzigen Wechselstrom-Kommutatormotoren, die die meisten nicht spezialisierten Ingenieure heute zu sehen bekommen. Sie kommen in Staubsaugern, Schleifmaschinen, Stichsägen, Haartrocknern und vielen anderen Geräten zum Einsatz, bei denen man aggressive Leistung in einem kleinen, kostengünstigen Gehäuse benötigt und Bürsten, Geräusche und eine begrenzte Lebensdauer in Kauf nehmen kann. Wenn einer ausfällt, ersetzt man das gesamte Gerät, nicht nur den Motor. Diese geschäftliche Realität hat das mechanische Design ebenso stark beeinflusst wie elektromagnetische Überlegungen.

Aus Sicht des Systemdesigns interagieren Universalmotoren stark mit der Versorgungsimpedanz. Spannungsabfälle beim Anlaufen oder Stillstand können in schwachen Netzwerken erheblich sein, sodass sie manchmal mit Softstart-Schaltungen oder einfachen Strombegrenzern kombiniert werden. Die Steuerung über Phasenanschnittsteuerung ist so verbreitet, dass Ingenieure manchmal vergessen, dass es sich bei der zugrunde liegenden Maschine immer noch um einen voll gewickelten Kommutatormotor mit allen üblichen Bürsten- und Kommutierungsempfindlichkeiten handelt.

Repulsion-Familie: Wenn Sie wirklich Anlaufdrehmoment benötigen

Einfache Repulsionsmotoren verfügen über ein einphasiges Feld am Stator, das direkt an die Wechselstromleitung angeschlossen ist, und einen gewickelten Rotor, der mit einem Kommutator mit kurzgeschlossenen Bürsten verbunden ist, die in einem Winkel zur Feldachse angeordnet sind. Der Stator induziert Strom in die Rotorwicklungen; die abgewinkelte Bürstenachse bewirkt, dass sich das Rotorfeld dem Statorfeld entgegensetzt und relativ zu diesem verschiebt, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird.

Das Interessante daran ist, dass man im Stillstand ein transformatorähnliches Verhalten erhält, ohne dass dabei ein enormer Anlaufstrom aus der Versorgung gezogen wird. Das Anlaufdrehmoment kann leicht ein Vielfaches des Nenndrehmoments überschreiten, während der Strom beherrschbar bleibt. Das machte Repulsionsmotoren attraktiv für Aufzüge, frühe Traktionsantriebe und Schwerlastantriebe, bei denen der Direktstart eines Induktionsmotors absurd niedrige Impedanzen oder große Autotransformatoren erfordert hätte.

Die Drehzahlregelung in einem einfachen Repulsionsmotor erfolgt durch mechanisches Verschieben der Bürsten. Wenn man sie in Richtung Feld ausrichtet, sinkt das Drehmoment; wenn man sie wegbewegt, kehrt sich das Drehmoment um. Diese Art der mechanischen Steuerung ist reibungslos, aber arbeitsintensiv. Das ist in Ordnung, wenn ein Antrieb mit einigen wenigen festen Drehzahlen läuft, die vom Wartungspersonal eingestellt werden, aber nicht, wenn man Regelkreise und Rezepturen mit Hunderten von Sollwerten haben möchte.

Kompensierte Repulsionsmotoren verfügen über eine Serienkompensationswicklung, ähnlich wie bei einem kompensierten Serienmotor. Das Ziel ist auch hier eine bessere Kommutierung und ein besserer Leistungsfaktor, aber zusätzlich wird die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik so gestaltet, dass sie eher der eines Serienmotors ähnelt, während das Repulsionsstartverhalten beibehalten wird. Einige Texte beziehen sich auf Latour-Winter-Eichberg-Konstruktionen mit mehreren Bürstensätzen und Transformatoranzapfungen, die einen Teil des Kommutators speisen; dies sind clevere, aber mechanisch komplizierte Maschinen, die im Labor interessant, in der Produktion jedoch umständlich sind.

Abstoßungsstart-Induktionslauf

Repulsionsstart-Induktionsläufermotoren sind ein pragmatischer Kompromiss zwischen Repulsions- und Induktionsverhalten. Im Stillstand ist der Rotor ein Repulsionsrotor mit Bürsten und Kommutator, der ein starkes Anlaufdrehmoment und einen guten Leistungsfaktor bietet. Bei einer Drehzahl nahe der Betriebsdrehzahl schließt eine Zentrifugalvorrichtung alle Kommutatorsegmente kurz und hebt häufig die Bürsten an, wodurch der Rotor zu etwas wird, das einem Käfigläufer ähnelt.

Ab diesem Punkt verhält sich die Maschine wie ein herkömmlicher Einphasen-Induktionsmotor. Das bedeutet, dass Sie im stationären Zustand die bekannten Eigenschaften, einen einfachen Schutz und keinen kontinuierlichen Bürstenverschleiß erhalten. Der Preis dafür ist eine zusätzliche mechanische Komplexität im Umschaltmechanismus und Kommutator sowie die Kosten für den komplizierteren Rotor.

Wo findet man sie noch? Meistens in älteren Kompressoren, Pumpen und schweren Haushalts- oder kleinen Industrieanlagen, bei denen ein hohes Anlaufdrehmoment unerlässlich war, der Konstrukteur aber dennoch einen einfachen Induktionsbetrieb wünschte, sobald die Trägheitslast in Bewegung war. Wenn eine solche Maschine heute ausfällt, wird sie oft durch einen Kondensatorstart-Induktionsmotor plus Softstarter oder Frequenzumrichter ersetzt, da diese Kombination einfacher zu beschaffen und zu warten ist.

Abstoßungs-Induktionsmotoren

Repulsions-Induktionsmotoren kombinieren eine mit einem Kommutator verbundene Repulsionsrotorwicklung mit einer eingebetteten Käfigläuferwicklung. Beim Start dominiert die Repulsionswirkung, wodurch ein hohes Drehmoment bei kontrolliertem Strom entsteht. Mit zunehmender Drehzahl gewinnen die induzierten Ströme im Käfig an Bedeutung und das Verhalten nähert sich dem eines Induktionsmotors an, auch ohne dass der Kommutator mechanisch kurzgeschlossen wird.

Dieses gemischte Verhalten ergibt eine für manche Anwendungen attraktive Drehmomentkurve, erschwert jedoch die Konstruktion des Rotors, die Isolierung und die Kühlung. Mit dem Aufkommen von Kondensatorstart- und Kondensatorlauf-Induktionsmotoren, die ohne Bürsten ein gutes Anlaufdrehmoment bieten und wesentlich einfacher aufgebaut sind, verschwanden Repulsionsinduktionsmotoren weitgehend aus neuen Konstruktionen.

Shunt-Wechselstrom-Kommutatormotoren

Klassifizierungstabellen enthalten manchmal “Shunt-Wechselstrom-Kommutatormotoren” oder “Wechselstrommotoren mit fester Bürste und Shunt-Charakteristik”. Konzeptionell handelt es sich dabei um Wechselstromversionen von Gleichstrom-Shunt-Motoren: Das Feld wird aus derselben Versorgung gespeist, jedoch nicht in Reihe mit dem Anker. Das Ergebnis ist eine Drehzahl, die in Bezug auf die Last vergleichsweise steif ist und eher einem Antrieb mit konstanter Drehzahl als einer Reihenschlussmaschine ähnelt.

Die Feldsteuerung über einen separaten Rheostat oder Transformator ermöglicht eine moderate Drehzahlregelung oberhalb der Grunddrehzahl durch Abschwächung des Feldes. Bei Wechselstrom ist der Vorteil aufgrund von Leistungsfaktor- und Kommutierungsbeschränkungen weniger ausgeprägt als bei Gleichstrommaschinen. Dies ist einer der Gründe, warum diese Klasse klein und spezialisiert geblieben ist.

In der Praxis findet man diese vor allem in älteren Anlagen, in denen ein Wechselstrom-Kommutatormotor mit konstanter Drehzahl eine Antriebswelle oder eine kritische Maschine antrieb, bevor Induktionsmotoren kostengünstig und weit verbreitet wurden. Wenn Sie einen solchen Motor übernehmen, behandeln Sie ihn wie einen wartungsintensiven Antrieb mit konstanter Drehzahl und begrenzter Verfügbarkeit von Ersatzteilen. Der Austausch durch einen Induktionsmotor und einen Frequenzumrichter ist in der Regel einfacher, es sei denn, die mechanische Integration ist sehr komplex.

Drehstrom-Kommutatormotoren: der Schrage und Verwandte

Der Schrage-Motor ist der am besten dokumentierte Drehstrom-Kommutatormotor. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Induktionsmotor mit variabler Drehzahl, bei dem eine zusätzliche Drehstrom-EMK über einen Kommutator und einstellbare Bürsten in den Rotorkreis eingespeist wird.

Ein typischer Schrage-Motor verfügt über einen dreiphasigen Stator, einen Rotor mit einer Wicklung, die zur Hauptversorgung an Schleifringe geführt wird, und eine zweite Rotorwicklung, die mit einem Kommutator verbunden ist. Einstellbare Bürsten versorgen diesen Kommutator aus einer Regelwicklung. Durch Verschieben der Bürsten ändern Sie die Größe und Phase der eingespeisten EMK, wodurch sich sowohl der Schlupf als auch der Leistungsfaktor ändern. Mit einer geeigneten Konstruktion können Sie subsynchrone, synchrone und supersynchrone Drehzahlen bei gleicher Netzfrequenz fahren und dabei über einen großen Bereich ein gutes Drehmoment und einen Leistungsfaktor nahe 1 aufrechterhalten.

Vor dem Aufkommen elektronischer Antriebe war diese Kombination für Textilmaschinen, Walzwerke und Druckmaschinen äußerst attraktiv. Man konnte eine gleichmäßige Drehzahlregelung, einen hohen Wirkungsgrad und eine angemessene Steuerung der Blindleistung ohne rotierende Umrichter oder Quecksilberbogenvorrichtungen erzielen. Der Preis dafür war ein mechanisch komplexes Rotor- und Kommutatorsystem, das eine fachkundige Wartung erforderte. Die Bediener mussten sich mit der Bürsteneinstellung, der Neutralstellung und den Auswirkungen des Kontaktzustands auf den Leistungsfaktor auskennen.

Es gibt auch statorgespeiste Wechselstrom-Kommutatormotoren, bei denen der Stator direkt gespeist wird und der Rotorkommutator in erster Linie zur Leistungsfaktorkontrolle oder Drehzahlregelung und nicht zur breiten Drehzahlregelung verwendet wird. Diese sind weniger verbreitet und kommen häufig in älteren Schiffs- oder Traktionsanlagen zum Einsatz. Das allgemeine Prinzip ist dasselbe: Über einen Kommutator wird eine elektromagnetische Kraft eingespeist, um den Schlupf und die Blindleistung zu beeinflussen, ohne die Versorgungsfrequenz zu verändern.

In modernen Konstruktionen löst ein Standard-Induktionsmotor in Verbindung mit einem Spannungswechselrichter dasselbe Problem mit weniger beweglichen Teilen. Daher sind der Schrage-Motor und seine Verwandten heute Spezialgebiete: Man studiert sie, um historische Antriebe zu verstehen oder um eine alte Anlage am Laufen zu halten.

Auswahl zwischen Typen in realen Projekten

In einem völlig neuen Design wird heute fast niemand mehr einen großen Wechselstrom-Kommutatormotor spezifizieren. Das liegt nicht daran, dass die Maschinen ineffizient sind, sondern daran, dass die Leistungselektronik bürstenlose Optionen einfacher zu rechtfertigen macht. Der tatsächliche Anwendungsfall ist heute entweder der Austausch eines defekten Motors in bestehenden Anlagen oder eine schrittweise Modernisierung, bei der eine vollständige mechanische Neukonstruktion nicht zu rechtfertigen ist.

Bei Kleingeräten oder Handwerkzeugen ist die Wahl fast schon vorbestimmt. Universalmotoren sind nach wie vor beliebt, weil sie günstig, kompakt und bei vielen Anbietern erhältlich sind. Wenn Geräusche, elektromagnetische Störungen oder die Lebensdauer der Bürsten zu einem ernsthaften Problem werden, wechselt man komplett zu einem bürstenlosen Gleichstrommotor oder einem Permanentmagnet-Synchronmotor und nimmt die Kosten für die Treiberelektronik in Kauf.

Bei älteren einphasigen Industrieantrieben, die nach wie vor ein hohes Anlaufdrehmoment benötigen, finden sich häufig Induktionsmaschinen mit Repulsionsstart oder Repulsionsinduktionsmaschinen auf dem Typenschild. Als Ersatz gibt es drei gängige Möglichkeiten. Eine davon ist ein Induktionsmotor mit hohem Drehmoment und Kondensatorstart, der mit einem Hochleistungsschütz oder einem Softstarter ausgestattet ist. Ein weiterer ist ein Drehstrom-Induktionsmotor mit einem kleinen Frequenzumrichter, der aus der einphasigen Versorgung gespeist wird. Der dritte, weniger beliebte Weg ist ein gleichwertiger Kommutatormotor von einem spezialisierten Wiederaufbereiter, der in der Regel gewählt wird, weil die mechanische Hülle ungünstig ist und eine Änderung mehr kosten würde als die Beibehaltung des alten Konzepts.

Bei großen Frequenzumrichtern, die ursprünglich mit Schrage-Motoren gebaut wurden, behandeln technische Teams die vorhandene Maschine oft eher als Teil der mechanischen Ausrüstung denn als Teil des elektrischen Systems. Wenn der Kommutator in Ordnung ist und Ersatzteile verfügbar sind, kann man ihn an Ort und Stelle belassen und lediglich den Schutz und die Überwachung verfeinern. Wenn der Kommutator zum Engpass wird, plant man eine Umrüstung auf eine Induktionsmaschine und einen Wechselrichter, was jedoch in der Regel Auswirkungen auf die Wellenhöhen, Kühlwege und manchmal auch auf die Gebäudestruktur hat.

Übergreifende Themen: Was alle Wechselstrom-Kommutatormotoren gemeinsam haben

Mehrere Einschränkungen gelten für alle Typen. Erstens ist die Kommutierung bei Wechselstrom grundsätzlich anspruchsvoller als bei Gleichstrom, da Stromumkehrungen in den Ankerwicklungen zusätzlich zu einer sinusförmigen Versorgung auftreten müssen. Aus diesem Grund sind Kompensationswicklungen, Konstruktionen mit niedriger Reaktanz und sorgfältig ausgewählte Bürstenmaterialien Standardthemen in der Literatur.

Zweitens stehen der Leistungsfaktor und Oberschwingungen immer auf der Tagesordnung. Serien- und Repulsionsmotoren können unter Last einen guten Eingangsleistungsfaktor liefern, aber bei geringer Last ziehen sie einen erheblichen Magnetisierungsstrom und liefern seltsam aussehende Wellenformen an das Netz. In Anlagen mit strengen Oberschwingungsgrenzwerten ist dies oft der eigentliche Grund für einen Austausch, nicht der mechanische Zustand der Maschine.

Drittens sind Wartungsmaßnahmen wichtiger als bei Käfigläufermotoren. Der Anpressdruck der Bürsten, der Zustand der Kommutatoroberfläche und die Sauberkeit des Kühlwegs wirken sich direkt auf die Kommutierung und damit auf Drehmomentpulsationen, Geräuschentwicklung und Lebensdauer aus. Ein Kommutatormotor, der theoretisch eine hohe Leistung erbringen kann, kann sich unregelmäßig verhalten, wenn die Bürstenausrüstung vernachlässigt wird. Das ist ein weiterer Grund, warum viele Ingenieure es vorziehen, sie zu ersetzen, anstatt ein neues Wartungsteam zu schulen.

Schließlich ist die Qualität der Dokumentation oft mangelhaft. Viele ältere Motoren tragen nur allgemeine Kennzeichnungen wie “AC-Serie” oder “Repulsionsmotor”, ohne dass klar angegeben ist, ob sie kompensiert sind, welche Bürstenqualität sie erwarten oder wie die Neutralstellung ursprünglich eingestellt war. Das Reverse Engineering solcher Maschinen ist eher eine investigative Aufgabe als eine Konstruktionsübung. Wenn Sie sich ein klares Bild von den Familien und ihrem Verhalten machen, können Sie anhand einiger einfacher Tests Rückschlüsse auf das ziehen, was Sie vor sich haben: Drehmoment beim Start, Reaktion auf Bürstenverschiebung und Strom bei Nennspannung.

Zusammenfassung

Wechselstrom-Kommutatormotoren bilden eine kompakte, aber vielfältige Gruppe: Serien- und Universalmotoren dominieren bei Werkzeugen mit geringer Leistung, auf Repulsion basierende Maschinen bieten ein hohes Anlaufdrehmoment in älteren Einphasenantrieben, Nebenschluss- und Drehstrom-Kommutatormotoren wie der Schrage decken den historischen Bedarf an industriellen Antrieben mit variabler Drehzahl. Ihr gemeinsamer Nenner ist die mechanische Kommutierung an einer Wechselstromversorgung mit allen damit verbundenen Vor- und Nachteilen. Zu wissen, um welchen Typ es sich handelt und was dies für Drehmoment, Steuerung, Stromqualität und Wartung bedeutet, ist auch in einer Welt, in der heute standardmäßig Induktionsmotoren und elektronische Antriebe zum Einsatz kommen, nach wie vor nützlich.