Universalmotor (Reihenschluss AC/DC)

Ein Universalmotor ist ein Reihenschlussmotor – also eine machine, bei der die Erregerwicklung (das Magnetfeld) und die Ankerwicklung in Reihe geschaltet sind. Derselbe Strom fließt durch beide. Diese Bauart kennst du vom Gleichstrom-Reihenschlussmotor. Der Universalmotor ist nichts anderes als ein Reihenschlussmotor, der konstruktiv so angepasst wurde, dass er auch an Wechselspannung sauber arbeitet.

Der Name sagt es bereits: „universal“ steht für den Betrieb an beiden Stromarten, Gleichspannung (DC) und Wechselspannung (AC). In der Praxis läuft er fast immer am normalen 230-V-Wechselstromnetz.

Du findest ihn überall dort, wo auf kleinem Bauraum viel Drehzahl und ein kräftiger Anlauf gebraucht werden: in der Handbohrmaschine, im Winkelschleifer, im Staubsauger, im Handmixer, in der Küchenmaschine. Überall, wo ein Gerät hochdreht und beim Einschalten sofort „zupackt“, steckt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Universalmotor dahinter.

Der Universalmotor besteht aus zwei magnetisch wirksamen Hauptteilen und der mechanischen Stromübertragung zum drehenden Teil.

Der Ständer (Stator) trägt die Erregerwicklung. Sie erzeugt das Magnetfeld, in dem sich der Anker dreht. Anders als beim Asynchronmotor ist hier kein Drehfeld nötig – das Feld steht räumlich fest und wechselt bei AC-Betrieb nur seine Richtung.

Der Anker (Rotor, auch Läufer genannt) trägt die Ankerwicklung. Über den Kommutator (Stromwender) – einen in Segmente unterteilten Ring auf der Welle – und die darauf schleifenden Kohlebürsten wird der Strom in die drehende Ankerwicklung geführt. Der Kommutator schaltet den Strom in den Ankerleitern so um, dass das Drehmoment immer in dieselbe Richtung wirkt.

Ein entscheidendes konstruktives Detail: Der gesamte Eisenkreis – Ständer und Anker – ist lamelliert, also aus dünnen, gegeneinander isolierten Blechen aufgebaut. Beim reinen Gleichstrommotor wäre das nicht zwingend nötig. Beim Universalmotor schon, denn bei Wechselstrom ändert sich das Magnetfeld ständig. Ein massiver Eisenkern würde durch diese Feldänderung Wirbelströme ausbilden – im Eisen kreisende Ströme, die nichts antreiben, sondern den Kern nur aufheizen und Energie vernichten. Die Blechung unterbricht diese Wirbelströme und hält die Verluste klein.

Schematisch sieht die elektrische Reihenschaltung so aus: Vom Netz kommt der Strom über die Bürsten, durchfließt die Erregerwicklung, läuft weiter durch die Ankerwicklung und über die zweite Bürste zurück zum Netz. Feld und Anker liegen also hintereinander im selben Stromkreis.

Das Drehmoment eines Motors entsteht aus dem Zusammenwirken von Magnetfeld und stromdurchflossenem Leiter im Anker. Vereinfacht gilt: Das Drehmoment ist proportional zum Produkt aus magnetischem Fluss und Ankerstrom.

Beim Reihenschlussmotor liegt nun der Clou: Weil Feld und Anker in Reihe liegen, ist es derselbe Strom, der das Feld erzeugt und durch den Anker fließt. Der magnetische Fluss wird also vom selben Strom aufgebaut, der auch durch den Anker geht – solange das Eisen nicht in die Sättigung kommt, gilt phi ~ I. Damit hängt das Drehmoment quadratisch vom Strom ab:

Dieser quadratische Zusammenhang ist der Grund für das berühmte hohe Anlaufmoment: Beim Einschalten ist die Drehzahl null, der Motor zieht einen hohen Strom – und das Drehmoment steigt mit dem Quadrat dieses Stroms steil an.

Und jetzt die Kernfrage: Warum dreht dieser Motor auch an Wechselspannung in eine Richtung, obwohl der Strom 50-mal pro Sekunde seine Richtung wechselt?

Die Antwort steckt in der Reihenschaltung. Kehrt der Wechselstrom seine Richtung um, kehren sich beide um – gleichzeitig: die Richtung des Magnetfelds (phi) und die Richtung des Ankerstroms (I_A). Im Produkt phi · I_A heben sich die beiden Vorzeichenwechsel gegenseitig auf. Mathematisch: ein negatives mal ein negatives ergibt wieder ein positives. Das Drehmoment behält dadurch seine Richtung bei, auch wenn der Strom dauernd umpolt.

Das ist der ganze Trick des Universalmotors. Bei einem fremderregten oder Nebenschlussmotor würde nur der Ankerstrom umpolen, das Feld aber gleich bleiben – das Drehmoment würde im Takt der Netzfrequenz die Richtung wechseln und der Motor bliebe stehen. Genau deshalb eignet sich nur die Reihenschlussbauart für den AC-Betrieb.

Ein Nebeneffekt: Weil bei Wechselstrom der Strom im Takt der Netzfrequenz durch null geht, ist das Drehmoment nicht konstant, sondern pulsiert mit der doppelten Netzfrequenz. Bei kleinen Handgeräten ist das wegen der hohen Drehzahl und der Massenträgheit kaum spürbar.

Das Reihenschlussverhalten prägt die gesamte M-n-Kennlinie – also den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl. Sie hat eine charakteristische, stark gekrümmte Form: Bei kleiner Drehzahl (hohe Last) liefert der Motor ein sehr großes Drehmoment, bei steigender Drehzahl fällt das Moment rasch ab.

Aus dieser Kennlinie folgt das praktisch wichtigste Verhalten: Der Reihenschlussmotor passt seine Drehzahl stark an die Last an. Unter hoher Last dreht er langsam und drückt kräftig; nimmt die Last ab, steigt die Drehzahl deutlich. Im Leerlauf – wenn fast kein Gegenmoment anliegt – kann die Drehzahl gefährlich hoch werden, der Motor „geht durch“. Bei großen Reihenschlussmaschinen ist das ein echtes Risiko (Zerstörung durch Fliehkraft), weshalb sie nie ohne Last laufen dürfen. Kleine Universalmotoren in Handgeräten werden durch ihre eigene Lager- und Lüfterreibung sowie das Getriebe so weit gebremst, dass die Leerlaufdrehzahl in einem beherrschbaren Bereich bleibt.

Die mechanische Leistung an der Welle ergibt sich aus Drehmoment und Drehzahl:

Achtung bei der Einheit der Drehzahl: In Datenblättern steht sie meist in Umdrehungen pro Minute (1/min). Für die Formel muss sie in Umdrehungen pro Sekunde (1/s) umgerechnet werden, also durch 60 geteilt.

Unterschied im Betriebsverhalten an AC und DC

Jetzt zum entscheidenden Punkt, der den Universalmotor von einem reinen Gleichstrom-Reihenschlussmotor unterscheidet. Man könnte annehmen, dass derselbe Motor an 230 V Gleichspannung und an 230 V Wechselspannung (Effektivwert) exakt gleich läuft. Das tut er nicht.

Der Grund liegt in den Wicklungen. Erreger- und Ankerwicklung sind Spulen – sie besitzen neben ihrem ohmschen Widerstand auch eine Induktivität. An Gleichspannung spielt die Induktivität im stationären Betrieb keine Rolle; es zählt nur der ohmsche Widerstand. An Wechselspannung dagegen wirkt zusätzlich der induktive Blindwiderstand der Wicklungen. Über diesem Blindwiderstand fällt ein Teil der Spannung ab, ohne in mechanische Leistung umgesetzt zu werden.

Die Folge: Bei gleichem Spannungs-Effektivwert steht an Wechselspannung effektiv weniger Spannung für den drehmomentbildenden Anteil zur Verfügung. Der Motor zieht bei gleicher Last einen etwas anderen Strom, und unterm Strich gilt – bei sonst gleichen Bedingungen:

An Wechselspannung liefert der Universalmotor ein geringeres Drehmoment, eine geringere Drehzahl und eine geringere Leistung als an Gleichspannung desselben Effektivwerts.

Dazu kommt, dass an Wechselspannung nicht die gesamte aufgenommene Leistung Wirkleistung ist: Wegen der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung geht der Leistungsfaktor cos phi ein. Die elektrisch zugeführte Wirkleistung berechnet sich an AC daher mit:

An Gleichspannung entfällt der Leistungsfaktor (cos phi = 1), dort gilt einfach P_zu = U · I.

Der Wirkungsgrad setzt mechanische Abgabeleistung und elektrische Aufnahmeleistung ins Verhältnis:

Die Reihenschluss-Bauart bringt einen Satz von Eigenschaften mit, der den Universalmotor für bestimmte Anwendungen ideal und für andere ungeeignet macht.

Die Vorteile liegen im Antriebsverhalten und in der Bauform. Der Motor erreicht sehr hohe Drehzahlen – oft über 10.000 1/min, manche bis 30.000 1/min. Damit lässt sich aus kleinem Bauvolumen viel Leistung holen, der Motor ist leicht und kompakt. Das hohe Anlaufmoment sorgt für kräftiges Andrehen unter Last. Und er ist netzunabhängig in der Stromart: derselbe Motor läuft an AC und an DC, was ihn früher für netz- wie batteriebetriebene Geräte interessant machte.

Die Nachteile hängen fast alle am Kommutator mit seinen Kohlebürsten. Die Bürsten schleifen mechanisch und verschleißen – sie müssen irgendwann getauscht werden, und ihre Lebensdauer begrenzt die des ganzen Motors. An den Bürsten entsteht beim Schalten ein Bürstenfeuer (kleine Funken), das hochfrequente Störungen ins Netz und in die Umgebung abstrahlt. Deshalb braucht jeder Universalmotor eine Funkentstörung, meist mit Kondensatoren und Drosseln. Dazu kommt, dass diese Motoren typischerweise laut sind und ihr Wirkungsgrad eher mäßig ausfällt.

Bei der Wartung ist der Bürstenwechsel die zentrale wiederkehrende Aufgabe. Abgenutzte Kohlebürsten machen sich durch nachlassende Leistung, vermehrtes Funken und Geräusche bemerkbar. Viele Geräte haben dafür von außen zugängliche Bürstenhalter. Wichtig ist, immer die passenden Bürsten zu verwenden und beide Seiten gemeinsam zu tauschen.