Kommutatormotortypen
Wenn Sie bereits mit den Datenblättern und Normen vertraut sind, reduziert sich die Wahl zwischen den verschiedenen Kommutatormotortypen auf drei Fragen: Welche Drehmomentkurve benötigen Sie, wie schlecht ist Ihre Stromversorgung und wie viel Wartungsaufwand für die Bürsten können Sie in Kauf nehmen? Alles andere sind hauptsächlich Details zur Umsetzung und Kostenargumente rund um diese drei Fragen.
Inhaltsverzeichnis
Der eigentliche Unterschied: Gleichstrom- gegenüber Wechselstrom-Kommutatormotoren
Die meisten Diskussionen über “Kommutatormotoren” verlieren sich in der historischen Taxonomie. Aus Sicht der Konstruktion oder Auswahl kann man viel direkter vorgehen: Ist Ihr Kommutator Sitzt es in einem Gleichstromgerät oder zwingen Sie es, auch mit Wechselstrom zu funktionieren?.
Auf der Gleichstromseite gibt es Reihen-, Shunt-, Verbund- und Permanentmagnet-Bürstenmotoren, mit separat erregten Varianten, wenn jemand einen Labortisch voller Knöpfe haben möchte. Auf der Wechselstromseite gibt es in der modernen Praxis eigentlich nur vier Familien: Universalmotoren, Repulsionsmotoren, Repulsions-Induktionsmotoren und eine schrumpfende Nische von Drehstrom-Kommutatormaschinen.
Sobald man diese Aufteilung akzeptiert, steht “Typ” für drei Dinge: wie das Feld erzeugt und verbunden wird, wie die Geschwindigkeit auf Belastung reagiert und wie tolerant der Kommutator ist, wenn man ihn mit Transienten und Schmutz malträtiert.
DC-Kommutatormotortypen, wie sie tatsächlich vorkommen
In Lehrbüchern werden separate, selbsterregte, Shunt-, Serien-, kumulative Verbund-, Differentialverbund- und Permanentmagnet-Profile aufgeführt. In realen Projekten jonglieren die meisten Ingenieure jedoch nur mit drei Profilen und zwei Randfällen.
Der Gleichstrommotor ist das stumpfe Werkzeug. Feld und Anker teilen sich denselben Strom, sodass das Drehmoment bei niedriger Drehzahl stark ist und die Drehzahl bei geringer Last leicht außer Kontrolle geraten kann, wenn man sie nicht kontrolliert. Das macht ihn geeignet für Anwendungen mit hohen Anlaufanforderungen, bei denen eine Überdrehzahl mechanisch verhindert werden kann, und sehr ungeeignet für Anwendungen, bei denen eine ausgefallene Last die Welle trennen könnte. Wenn jemand ohne weitere Angaben von einem “Gleichstrommotor mit hohem Anlaufdrehmoment” spricht, meint er oft diesen Motor und denkt dabei in der Regel an Kräne, Hebezeuge oder Nachrüstungen für Traktionsantriebe.
Der Shunt-Gleichstrommotor spielt die gegenteilige Rolle. Der Feldstrom wird größtenteils durch die Versorgung festgelegt, der Ankerstrom schwankt mit der Last, die Drehzahl ändert sich kaum, wenn Sie innerhalb der thermischen Grenzen bleiben. Das ist im besten Sinne langweilig: Antriebe mit konstanter Drehzahl, Lüfter und Pumpen in älteren Anlagen, Prüfstände, bei denen eine Regelung von wenigen Prozent ausreicht und niemand für ausgeklügelte elektronische Antriebe bezahlen möchte. Seine Schwachstelle ist das Anlaufdrehmoment; wenn Ihre Last einen steilen Anlauf von Null erfordert, müssen Sie entweder den Rahmen überdimensionieren oder einen anderen Typ wählen.
Verbund-Gleichstrommotoren liegen zwischen diesen beiden und werden am häufigsten falsch spezifiziert. Sie kombinieren Reihen- und Nebenschlusswicklungen, die sich entweder gegenseitig verstärken (kumulativ) oder gegensätzlich wirken (differenziell). Kumulative Verbundmaschinen bieten einen nebenschlussähnlichen Normalbetrieb mit zusätzlichem Schub bei niedriger Drehzahl, was oft alles ist, was für Förderbänder, Pressen und allgemeine industrielle Antriebe erforderlich ist. Differenzielle Verbundmaschinen sehen auf dem Papier interessant aus, werden jedoch in vielen Betriebsarten instabil und überstehen den Kontakt mit konservativen Spezifizierern selten.
Permanentmagnet-Gleichstrommotoren reduzieren den Feldkreis auf Magnete. Dadurch entfällt Kupfer, es entstehen keine Feldverluste mehr und Sie erhalten eine konstante Drehzahl, eine konstante Drehzahl und nur sehr wenig, was kompensiert werden muss. Ideal, wenn Sie Kompaktheit und Effizienz wünschen und gerne die Drehzahlsteuerung mit Elektronik oder einer einfachen Ankerspannungsänderung vornehmen. Wesentlich weniger flexibel, wenn Sie Feldschwächungstricks für einen erweiterten Drehzahlbereich wünschen.
Separat erregte Motoren kommen immer noch zum Einsatz, wenn man die einfache mechanische Struktur einer bürstenbehafteten Gleichstrommaschine wünscht, aber gleichzeitig die Freiheit eines Labors hinsichtlich Feld und Anker haben möchte. Denken Sie an Prüfstände, Lehrgeräte oder Anlagen, die vor dem Zeitalter der Leistungselektronik in Betrieb genommen wurden und heute noch gewartet werden, weil sie noch funktionieren und niemand sie anfassen möchte.
Wenn Sie das alles gelesen haben und dachten: “Das sind doch nur vier Drehmoment-Drehzahl-Kurven mit unterschiedlichen Reglern”, dann haben Sie es richtig verstanden.
AC-Kommutatormotortypen: wenn das Netz nicht freundlich ist
Bei Wechselstrom wird der Kommutator stärker beansprucht, was ironischerweise zu einer geringeren Anzahl von Typen führt. Die meisten modernen Verbraucherprodukte, die noch Bürsten verwenden, haben sich auf einen Typ konzentriert: den Universalmotor. Es handelt sich im Wesentlichen um eine Reihenschluss-Kommutatormaschine, die so konstruiert ist, dass sie sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom akzeptabel funktioniert, wobei Feld und Anker bei jedem Halbzyklus gemeinsam umkehren, sodass das Drehmoment in derselben Richtung bleibt. Sein Frequenzbereich ist eng, aber das ist für netzbetriebene Bohrmaschinen, Mixer und Staubsauger völlig ausreichend. Hohe Drehzahl, gutes Anlaufdrehmoment, schlechte Geräuschentwicklung und begrenzte Lebensdauer bei voller Belastung.
Repulsionsmotoren sind heute eher eine historische und industrielle Nischenart. Sie verwenden einen Stator mit einphasigem Wechselstromfeld und einen Rotor mit Kommutator und kurzgeschlossenen Bürsten, der ähnlich wie ein Transformator mit verschobenen Rotorströmen funktioniert. Der Vorteil ist ein großes Anlaufdrehmoment mit einem im Vergleich zu frühen Induktionsmotoren guten Leistungsfaktor. Der Nachteil ist die Komplexität, Probleme bei der Bürstenjustierung und die Nichtübereinstimmung mit den modernen Erwartungen an einen geringen Wartungsaufwand.
Repulsions-Induktionsmotoren kombinieren einen Repulsionsrotor mit einem Induktionskäfig. Das Anlaufverhalten ähnelt dem eines Repulsionsmotors; sobald die synchrone Drehzahl fast erreicht ist, übernimmt der Käfig und die Maschine verhält sich eher wie ein Induktionsmotor. Diese Kombination bot älteren Konstrukteuren eine Möglichkeit, sowohl einen starken Anlauf als auch eine akzeptable Laufleistung aus einphasigen Leitungen zu erzielen, bevor umrichtergesteuerte Motoren zum Standard wurden.
Drehstrom-Kommutatormotoren kommen in der Schwerindustrie und in einigen älteren Maschinen zum Einsatz. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um Induktions- oder Synchronmaschinen mit gewickeltem Rotor und Kommutatoren, die einen variablen Widerstand oder eine EMK-Steuerung im Rotorkreis bieten. Sie ermöglichten eine reibungslose Drehzahlregelung über einen großen Bereich bei konstanten Frequenzen. Der Preis dafür ist eine mechanische Komplexität und Wartungsaufwand, den nur wenige moderne Anlagen akzeptieren, da elektronische Antriebe ähnliche elektrische Funktionen ohne Bürsten erfüllen können.
Vergleichende Betrachtung: Wo jeder Typ sinnvoll ist
Die üblichen Online-Ratgeber stecken jeden Typ in seine eigene kleine Schublade. Sinnvoller ist es jedoch, sie anhand der Kriterien zu vergleichen, die für die Auswahl tatsächlich entscheidend sind: Leistung, Drehmomentverhalten, Steuerungsanforderungen und wie viel Ärger Ihnen der Kommutator im Laufe der Jahre bereiten wird.
| Motortyp | Lieferung und Anordnung vor Ort | Typisches Bewertungsband | Drehmoment- und Drehzahlverhalten im realen Einsatz | Üblicherweise gewählter Kontrollansatz | Geräusche, EMI und Wartungsbedarf | Heutzutage übliche Verwendungsmuster |
| DC-Serie | Gleichstrom, Feld in Reihe mit Anker | Von kleinen Zugmaschinen bis hin zu großen Kränen | Starkes Anlaufdrehmoment, Drehzahl steigt bei sinkender Last stark an; Gefahr des Durchlaufens bei Verlust der Wellenlast | Einfache Spannungssteuerung plus mechanische Begrenzungen oder ältere Rheostate; manchmal in Kombination mit einfachen elektronischen Choppern in Nachrüstungen | Hoher Bürstenverschleiß bei wiederholten starken Starts; deutliche Funkenbildung, wenn die Kommutierung nicht innerhalb des Nennstroms gehalten wird; hörbares Bürstenrauschen | Alte Kräne, Hebezeuge, Traktionsumrüstungen, Prüfstände, bei denen die Mechanik bereits um diese Kurve herum konstruiert ist |
| Gleichstrom-Shunt | Gleichstrom, Feld parallel zum Anker | Kleine bis mittelgroße Industrierahmen | Im normalen Bereich relativ flache Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, moderates Anlaufdrehmoment | Ankerstromregelung oder einfache Regelregler; Feldschwächung für moderate Überdrehzahl bei Bedarf | Die Bürsten laufen relativ ruhig, wenn die Stromwelligkeit kontrolliert wird; EMI ist akzeptabel, wenn die Verkabelung und die Unterdrückung korrekt durchgeführt werden. | Ältere Industrieantriebe, kleine Werkzeugmaschinen, ältere Pumpen und Ventilatoren, Ausbildungsanlagen |
| Kumulativer zusammengesetzter Gleichstrom | DC, sowohl Serien- als auch Shunt-Wicklungen verstärkend | Mittlere industrielle Größen | Zwischen Reihenschaltung und Nebenschluss: verbessertes Anlaufdrehmoment mit besserer Drehzahlstabilität als bei reiner Reihenschaltung | Traditionelle mehrstufige Regler oder moderne Gleichstromantriebe, die sowohl Anker- als auch Feldsteuerung verwenden | Komplexeres Feldsystem zu warten; ansonsten ähnlich wie Shunt oder Serie, je nach Belastung | Förderbänder, Pressen, Walzanwendungen, die noch ältere Gleichstromanlagen in Betrieb halten |
| Permanentmagnet-Gleichstrom | Gleichstrom, Feld von Permanentmagneten | Bruchteile von Kilowatt bis zu einigen Kilowatt, manchmal mehr in speziellen Rahmen | Lineare Drehmomentkonstante, Drehzahl proportional zur Spannung abzüglich Spannungsabfall; keine Feldschwächung, sofern Sie kein Entmagnetisierungsrisiko in Kauf nehmen | Einfache PWM-Anker-Spannungsregelung mit Rückkopplung; leicht in kostengünstige Elektronik zu integrieren | Keine Feldkupfer- oder Feldausfälle, aber Magnete sind empfindlich gegenüber Hitze und Missbrauch; Bürsten verschleißen weiterhin. | Kleine Antriebe, Robotik, Aktuatoren, kompakte Werkzeuge, bei denen die Kommutatortechnologie noch akzeptabel ist |
| Universalmotor | Wechselstrom oder Gleichstrom, effektiv in Reihe geschaltet für Wechselstrom | Meistens unter einem Kilowatt, Hochgeschwindigkeitsausführungen | Sehr hohe Grundgeschwindigkeit, starkes Anlaufdrehmoment, Drehzahl fällt mit der Last ab; kann bei Leerlauf ohne Begrenzung gefährlich sein | Oft unkontrolliert, außer bei einfachen Phasenwinkelreglern; Rückkopplung nur bei besseren Geräten | Hohe Geräuschentwicklung und Bürstenverschleiß; erhebliche elektromagnetische Störungen ohne geeignete Entstörkomponenten | Handwerkzeuge, Haushaltsgeräte, kleine Maschinen, bei denen Gewicht und Größe wichtiger sind als Lebensdauer oder Geräuschentwicklung |
| Abstoßungsmotor | Einphasiger Wechselstrom, Statorfeld mit Rotorkommutator und kurzgeschlossenen Bürsten | Hauptsächlich ältere Motoren mittlerer Leistung | Sehr starkes Anlaufdrehmoment und angemessener Leistungsfaktor, Drehzahl näher am Synchronwert | Mechanische Bürstenumschaltung zur Steuerung in älteren Anlagen; wird in neuen Konstruktionen selten verwendet. | Die Einstellung von Bürsten und Kommutator ist entscheidend; Wartungsaufwand höher als bei Induktionsmotoren | Ältere einphasige Installationen, einige spezielle Anwendungen wurden aus Kompatibilitätsgründen beibehalten. |
| Abstoßungs-Induktionsmotor | Einphasiger Wechselstrom, Repulsionsrotor mit eingebettetem Induktionskäfig | Ähnlich wie bei Repulsionsmotoren | Gutes Anlaufdrehmoment, geht dann in einen induktionsähnlichen Betrieb mit stabilerer Drehzahl über | Meistens Betrieb mit fester Drehzahl und einfacher Steuerung, basierend auf den inhärenten Eigenschaften | Im Dauerbetrieb etwas weniger anspruchsvoll für Bürsten als reine Repulsion-Typen; dennoch nicht wartungsarm | Ältere Maschinen, die sowohl eine starke Anlaufleistung als auch einen stabilen Betrieb bei Einphasen-Stromversorgung benötigen |
| Drehstrom-Kommutatormotor | Dreiphasen-Wechselstrom mit kommutierten Rotorschaltungen | Mittlere bis große Industriemaschinen | Breitbandige Drehzahlregelung bei nahezu konstantem Drehmoment oder Leistung, abhängig von der Konfiguration des Rotorkreises | Mechanische oder elektromechanische Einstellung des Rotorwiderstands oder der EMK; heute häufig durch elektronische Antriebe ersetzt | Komplexe Kommutatorsysteme, höhere Ausfallraten, im Vergleich zu Käfigläufermotoren höherer Wartungsaufwand | Ältere, schwere Laufwerke, deren Austausch teuer ist oder durch Prozessanforderungen eingeschränkt wird |
Die Tabelle ist nicht akademisch. Sie spiegelt lediglich wider, wie Ingenieure und Wartungstechniker über diese Maschinen sprechen, wenn es um Geld und Ausfallzeiten geht.
Wie die Auswahl bei Projekten tatsächlich erfolgt
Sobald jemand erklärt hat, dass “wir einen Kommutatormotor verwenden werden” anstelle einer Induktions- oder bürstenlosen Maschine, wird der Rest in der Regel durch drei Einschränkungen bestimmt: die Versorgung, das Drehmomentprofil und die Einstellung zur Wartung.
Wenn Ihre Stromversorgung nur einphasig ist und Sie ein starkes Anlaufdrehmoment mit einfacher Steuerung benötigen, tendieren Sie aufgrund der bisherigen Erfahrungen eher zu Universalmotoren oder älteren Motoren der Repulsionsfamilie. Erstere dominieren im Haushalt und bei leichten Werkzeugen, da sie kostengünstig und kompakt sind, auch wenn sie laut sind und sich schnell abnutzen. Letztere kommen nur noch dort zum Einsatz, wo ein Austausch schwierig ist oder Standards festgeschrieben sind.
Wenn Sie bereits über eine Gleichstrominfrastruktur verfügen, richtet sich die Wahl zwischen Reihen-, Shunt-, Verbund- und Permanentmagnetmotoren in der Regel nach der Form der Lastdrehmomentkurve. Hohe Stoßbelastungen und intermittierender Betrieb führen häufig zum Einsatz von Reihen- oder kumulativen Verbundmotoren. Bei flachem Drehmoment und langen Dauerbetrieben sind Shunt- oder Permanentmagnetmotoren vorzuziehen, wobei Shuntmotoren zum Einsatz kommen, wenn thermische Robustheit gefragt ist, und Permanentmagnetmotoren, wenn Größe und Effizienz wichtiger sind als Flexibilität.
Die Erwartungen an die Drehzahlregelung sind viel wichtiger, als in vielen Einführungen zugegeben wird. Wenn die Anforderung “ungefähr diese Drehzahl, plus/minus ein paar Prozent” lautet, reicht eine Shunt- oder Verbund-Gleichstrommaschine mit einem einfachen Regler aus. Wenn Sie einen großen Drehzahlbereich und eine Feinabstimmung benötigen, aber dennoch auf einen Kommutator bestehen, bieten sich separat erregte Anordnungen an, da Sie damit unabhängig voneinander mit Feld und Anker spielen können, ohne den Maschinenrahmen neu konstruieren zu müssen.
Die Wartungsphilosophie schränkt die Optionen stillschweigend ein. Anlagen, die auf minimale routinemäßige Eingriffe abzielen, verzichten vollständig auf Wechselstrom-Kommutatormotoren und behalten diese nur so lange, wie eine Nachrüstung aufwändiger ist als die laufende Wartung der Bürsten. In Anlagen, in denen nach wie vor regelmäßige manuelle Wartungsarbeiten durchgeführt werden, oft weil die Bediener ohnehin rund um die Uhr vor Ort sind, kommen weiterhin komplexe Kommutatormaschinen zum Einsatz.
Weniger sichtbare Faktoren: Lärm, elektromagnetische Störungen und Konformität
Normen und Konformität kümmern sich nicht um die Eleganz Ihrer Drehmoment-Drehzahl-Kurve. Sie kümmern sich um leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen, Sicherheitsmargen und thermisches Verhalten. Kommutatormotoren sind von Natur aus elektrisch laut, da das Schalten mechanisch am Rotor erfolgt, wobei Geometriefehler und Verschleiß zu Schwankungen führen.
Insbesondere Universalmotoren benötigen Entstörfilter, Abschirmungen und manchmal spezielle Bürsten, um die EMV-Grenzwerte in modernen Geräten einzuhalten. Das führt zu einem höheren Komponentenaufwand, größerem Volumen und mehr Wärmeentwicklung, was ein Grund dafür ist, dass kompakte bürstenlose Konstruktionen einen so großen Teil ihres früheren Marktanteils verloren haben.
Bei Gleichstrommaschinen beeinflussen die Wahl der Bürstenqualität, die Konstruktion der Kommutatorsegmente und die Kühlung, ob sich der Motor während seiner gesamten Lebensdauer vorhersehbar verhält. Eine Konstruktion, die auf einem neuen Prüfstand gut aussieht, kann nach Tausenden von Betriebsstunden zu Problemen führen, wenn die Bürsten glasieren, Glimmer aufsteigt oder der Kühlweg verstopft. Dies sind nicht nur Wartungsprobleme, sondern sie wirken sich auch darauf aus, ob ein Typ für neue Konstruktionen in regulierten Branchen akzeptabel bleibt.
Hinzu kommt der Sicherheitsaspekt der Überdrehzahl. Gleichstrom-Reihenschlussmotoren und Universalmotoren können schnell beschleunigen, wenn die mechanische Last verloren geht. Dieses Risiko verschwindet nicht einfach dadurch, dass Sie ein Typenschild korrekt angeben. Es erfordert einen mechanischen oder elektronischen Schutz und beeinflusst manchmal, ob Auditoren mit dem Typ in bestimmten Anwendungen einverstanden sind.
Koexistenz mit modernen Antrieben
Angesichts der Verbreitung von Wechselstrommotoren und bürstenlosen Maschinen stellt sich natürlich die Frage, warum überhaupt noch jemand über Kommutatormotoren spricht.
Manchmal handelt es sich um reine Altlasten. Ein alter Kran oder eine alte Produktionslinie, die auf die Drehmomentkurve und das Ansprechverhalten einer Gleichstrommaschine ausgelegt sind, können mit einem bekannten Wartungsplan und Ersatzteilen jahrzehntelang akzeptabel funktionieren. Eine vollständige Umstellung auf Induktion und Wechselrichter ist langfristig sinnvoll, aber kurzfristig teuer, sodass die Kommutatormaschine erhalten bleibt, möglicherweise in Kombination mit einem modernen Gleichstromantrieb anstelle von Rheostaten.
Manchmal geht es um die Spitzenleistungsdichte in kleinen Verbrauchergeräten, wo Universalmotoren nach wie vor eine einfache Möglichkeit bieten, eine hohe Drehzahl aus einer einfachen gleichgerichteten oder phasenangesteuerten Netzversorgung zu erzielen. In diesen Fällen geht die umgebende Produktarchitektur bereits davon aus, dass ein Austausch der Bürsten akzeptabel ist oder die Produktlebensdauer kurz ist.
Es gibt auch Hybridsysteme: Kommutatormotoren werden als Hilfsantriebe in Systemen eingesetzt, die ansonsten von elektronischen Umrichtern angetrieben werden, oder in Umgebungen, in denen EMI durch Hochfrequenzschaltungen schwieriger zu handhaben ist als Bürstenrauschen.
Schlussbemerkungen
Wenn man die historischen Bezeichnungen und die langen Taxonomien beiseite lässt, sind die “Typen” von Kommutatormotoren lediglich unterschiedliche Antworten auf drei Fragen: Wie versorgt man das Feld mit Strom, wie akzeptiert man das resultierende Drehmoment-Drehzahl-Verhalten und wie viel Aufmerksamkeit ist man bereit, den Bürsten und dem Kommutator im Laufe der Zeit zu widmen?.
Sobald diese Fragen ehrlich beantwortet sind, ergibt sich die Auswahlliste in der Regel von selbst. Der Rest der Arbeit besteht nicht darin, auf einem Whiteboard über Serien- und Shunt-Schaltungen zu diskutieren, sondern sicherzustellen, dass der gewählte Typ tatsächlich zu den tatsächlichen elektrischen, mechanischen und behördlichen Rahmenbedingungen passt, in denen er eingesetzt wird.
