Bauarten: Nebenschluss-, Reihenschluss- und Doppelschlussmotor

In einer Gleichstrommaschine entsteht das Drehmoment durch das Zusammenspiel von zwei Strömen: dem Ankerstrom I_A in der drehenden Wicklung und dem Erregerstrom I_E in der feststehenden Wicklung, die den Erregerfluss Φ im Luftspalt aufbaut. Beide Wicklungen brauchen Strom, und der Strom muss irgendwo herkommen. Hier liegt die Idee der Bauarten: Speist man Anker und Erregung aus derselben Quelle, kann man die Erregerwicklung entweder parallel zum Anker schalten, in Reihe zum Anker, oder beides kombinieren.

Aus den beiden Grundbeziehungen der Gleichstrommaschine wird sofort verständlich, warum das so massive Auswirkungen hat:

Die Maschinenkonstante c fasst die fest verbauten Daten der Maschine zusammen — Windungszahl der Ankerwicklung, Polpaarzahl, Anzahl der parallelen Wicklungszweige. Sie ist für einen fertigen Motor unveränderlich, eine reine Konstante aus der Konstruktion. Der Ausdruck U − I_A · R_A im Zähler ist die Gegen-EMK der Maschine — jene Spannung, die durch die Drehung des Ankers im Erregerfeld induziert wird und der angelegten Klemmenspannung entgegenwirkt. Im Stillstand ist sie null (deshalb fließt beim Einschalten der hohe Anlaufstrom), im Leerlauf liegt sie nahezu bei U.

Die Drehzahl hängt umgekehrt vom Fluss ab — wird Φ kleiner, dreht der Motor schneller. Das Drehmoment wächst mit dem Produkt aus Fluss und Ankerstrom. Wer also einen großen Erregerfluss bei jeder Last konstant halten will, schaltet die Erregerwicklung parallel. Wer dagegen will, dass der Fluss mit der Last mitwächst, schaltet sie in Reihe. Genau das ist der Unterschied zwischen Nebenschluss und Reihenschluss.

Die drei Schaltungen ergeben drei sehr unterschiedliche Maschinen. Die nächsten Kapitel gehen jede einzeln durch.

Beim Nebenschlussmotor liegt die Erregerwicklung parallel zum Anker. Beide hängen an derselben Spannung, aber elektrisch sind sie voneinander unabhängig. Der Erregerstrom I_E wird allein durch die Klemmenspannung U und den Widerstand der Erregerwicklung bestimmt — er ist nicht vom Ankerstrom abhängig. Solange U konstant bleibt, bleibt auch der Erregerfluss Φ praktisch konstant.

Daraus folgt das charakteristische Verhalten: Steigt die Belastung, steigt der Ankerstrom I_A, die Spannungsabfall am kleinen Ankerwiderstand R_A wird etwas größer und die Drehzahl sinkt nur leicht. Der Motor ist drehzahlhart — er hält seine Drehzahl auch unter wechselnder Last fast konstant.

Im Schaltbild trägt die Erregerwicklung typisch viele Windungen aus dünnem Draht. Sie hat einen hohen Widerstand, damit der Erregerstrom klein bleibt — er ist im Vergleich zum Ankerstrom oft nur ein Buchteil. So spart man Verlustleistung in der Erregung, ohne dass der Fluss schwächer würde, denn entscheidend ist nicht der Strom alleine, sondern das Produkt aus Windungszahl und Strom (die Durchflutung).

Beim Reihenschlussmotor liegt die Erregerwicklung in Reihe mit dem Anker. Es gibt nur einen einzigen Stromkreis — der gesamte Strom, der den Motor durchfließt, geht zuerst durch die Erregerwicklung und dann durch den Anker. Daraus folgt eine einfache, aber folgenreiche Beziehung:

Der Erregerstrom ist gleich dem Ankerstrom. Damit hängt auch der Erregerfluss direkt vom Laststrom ab — solange das Eisen nicht sättigt, gilt näherungsweise Φ ~ I_A. In die Drehmomentgleichung eingesetzt ergibt sich:

Das ist das Markenzeichen des Reihenschlussmotors: das Drehmoment wächst quadratisch mit dem Strom. Doppelter Strom bedeutet vierfaches Drehmoment. Genau das macht ihn zum klassischen Anlauf- und Traktionsmotor — er entwickelt im Stillstand sofort sehr großes Drehmoment, ohne dass man extra eingreifen müsste.

Auf der Drehzahlseite ist das Verhalten genau umgekehrt: Bei kleiner Last ist auch der Strom klein, der Fluss schwach, und die Drehzahl entsprechend hoch. Bei großer Last steigt der Fluss, die Drehzahl fällt deutlich ab. Der Motor ist drehzahlweich — seine Drehzahl ändert sich stark mit der Last.

Auffällig ist, dass die Reihenschlusswicklung mit wenigen Windungen aus dickem Draht ausgeführt ist. Sie muss den vollen Ankerstrom tragen, der bei großen Motoren leicht in den Bereich hunderter Ampere geht. Bei der Drehmomentkonstanten und dem Drehzahlverhalten kannst du dir das Verhalten am folgenden Calculator anschauen:

Probier es aus: Verdoppelt sich der Strom, vervierfacht sich das Drehmoment, und die Drehzahl halbiert sich näherungsweise. So entstehen die typischen Werte beim Anlauf eines Staplers oder einer alten Straßenbahn — kurzer hoher Stromstoß, riesiges Anzugsmoment, niedrige Drehzahl.

Der Doppelschlussmotor kombiniert beide Wicklungen — er trägt sowohl eine Nebenschluss- als auch eine Reihenschlusswicklung. Das Ergebnis ist eine Mischform: die Nebenschlusswicklung sorgt für einen Grundfluss, der auch im Leerlauf vorhanden ist (kein Durchgehen mehr), und die Reihenschlusswicklung verstärkt den Fluss bei großer Last (hohes Anlaufmoment bleibt). Die Idee ist eine bewusste Kombination der jeweils besten Eigenschaften der beiden Grundbauarten.

Je nach Schaltrichtung der Reihenschlusswicklung unterscheidet man zwei Varianten:

• Verbundschluss (gleichsinnig): Reihen- und Nebenschlussfluss zeigen in dieselbe Richtung. Sie addieren sich. Dies ist die übliche Bauart — bei Last wird der Gesamtfluss stärker, das Anlaufmoment steigt, die Drehzahl fällt mäßig.
• Gegenverbundschluss (gegensinnig): Der Reihenschlussfluss wirkt dem Nebenschlussfluss entgegen. Bei steigender Last schwächt er den Gesamtfluss. Das hält die Drehzahl auch unter Last fast konstant — diese Bauart wird aber nur selten eingesetzt, weil sie zur Instabilität neigt.

Am Klemmbrett sind entsprechend mehr Klemmen vorhanden: A1/A2 für den Anker, D1/D2 für die Reihenschlusswicklung und E1/E2 für die Nebenschlusswicklung. Welche Variante (Verbund- oder Gegenverbundschluss) vorliegt, hängt davon ab, wie die Reihenschlusswicklung gepolt eingeschleift wird.

Die drei Schaltungsarten ergeben drei deutlich verschiedene M-n-Kennlinien. Der Nebenschlussmotor zeigt eine fast waagrechte Kennlinie — die Drehzahl bleibt weitgehend konstant. Der Reihenschlussmotor fällt steil ab — kleine Lasten geben hohe Drehzahlen, hohe Lasten erzwingen niedrige Drehzahlen. Der Doppelschlussmotor liegt dazwischen, mit moderat fallender Kennlinie.

In tabellarischer Form lassen sich die drei Bauarten gut vergleichen:

Welche Bauart konkret eingesetzt wird, hängt vor allem davon ab, ob Drehzahlkonstanz oder hohes Anlaufmoment im Vordergrund steht. Wie genau man bei einer gegebenen Bauart die Drehzahl gezielt verändern kann (Spannungsstellung, Feldschwächung, Vorwiderstände), wird in einem eigenen Beitrag behandelt.

Ein Gleichstrommotor dreht in eine bestimmte Richtung, weil der Ankerstrom und das Erregerfeld in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen. Aus der Lorentzkraft F = B · I · l folgt: kehrt man eines von beiden um, dreht sich die Kraftrichtung — und damit die Drehrichtung. Kehrt man jedoch beides gleichzeitig um, hebt sich die Wirkung auf und der Motor dreht wie zuvor.

In der Praxis heißt das konkret: Drehrichtungsumkehr durch Umpolen entweder der Ankerwicklung oder der Erregerwicklung, niemals beider zugleich.

Am Klemmbrett wird das so umgesetzt:

• Nebenschlussmotor: Entweder A1 und A2 tauschen oder E1 und E2 tauschen.
• Reihenschlussmotor: Entweder A1 und A2 tauschen oder D1 and D2 tauschen.
• Doppelschlussmotor: Wenn der Anker umgepolt wird, ändert sich nur die Drehrichtung. Wenn beide Erregerwicklungen umgepolt werden, dreht sich die Drehrichtung ebenfalls — aber der Verbundschluss bleibt Verbundschluss. Nur eine der beiden Erregerwicklungen umpolen führt dagegen vom Verbund- zum Gegenverbundschluss (oder umgekehrt), das ist meist nicht gewünscht.

In Steuerungen für Gleichstrommotoren wird die Umpolung typisch durch eine Wendeschützschaltung erledigt: zwei Schütze polen die Ankerwicklung um, die Erregerwicklung bleibt unangetastet. So bleibt das Verhalten der Maschine in beiden Drehrichtungen identisch.