Elektrische Kleinmaschinen

Elektrische Maschinen pflegt man in drei Klassen einzuteilen, nämlich in Maschinen großer, mittlerer und kleiner Leistung. Diese Klassen, die sich außer durch die Leistung auchdurch besondere Eigenschaften, Ausführungsarten, und Fertigungsverfahren der Maschinen auszeichnen,sindnicht eindeutig gegeneinander abgegrenzt, sondern gehen fließend ineinander über. Die obere Grenze von Kleinmaschinen nimmt man gewöhnlich bei einer abgegebenen Leistung von ungefähr 1 kW an. Im englischen Sprachraum nennt man sie „Fractional Horsepower Motors“, zählt zu ihnen also Maschinen bis etwa 750 Watt.

Wechselstrom-Asynchronmotoren oder, wie man häufig sagt, Einphasen-Asynchronmotoren gehören zu den am meisten verwendeten Antriebsmaschinen, weil sie durch ihre besonderen Eigenschaften in vielen Anwendungsfällen anderen Motortypen überlegen sind. Sie sind robust, wartungsfrei, geräusch- und schwingungsarm, kostengünstig und benötigen im allgemeinen keine aufwendige Funkentstörung. Bezüglich geringem Motorgewicht und einfacher Drehzahl-Stellung bzw. -Regelung sind sie den Kommutatormotoren unterlegen. Typische Geräte, die durch Wechselstrom-Asynchronmotoren angetrieben werden, finden sich in Haushalt und Büro: Ölbrenner, Heizungsumwälzpumpen, Waschmaschinen, Wäscheschleudern, Bügelmaschinen, Kühlschränke, Lüfter, Kopierer, Schreibmaschinen.

Wechselstrom-Synchronmotoren, die oftmals als Einphasen-Synchronmotoren bezeichnet werden, werden als zeit- oder frequenzproportionale Antriebe in Uhren, Zählern, Zeitschaltern, in der Steuerungs-, Regelungs- und Meßtechnik, in Phonound Datenverarbeitungs-Geräten, in Automaten usw. eingesetzt. Synchronmotoren mit Kreisdrehfeldern besitzen eine streng konstante, von der Belastung unabhängige Drehzahl, wenn sie mit konstanter Frequenz betrieben werden: Wie Wechselstrom-Asynchronmotoren entwickeln Wechselstrom-Synchronmotoren jedoch meistens elliptische Drehfelder, die,wie im Abschnitt 2.3.2 erläutert, schwankende Drehzahlen zur Folge haben. Zum Antrieb von Geräten, die eine hohe Drehzahlkonstanz erfordern, wie zum Beispiel Tonband- oder Schallplatten-Geräte, sind sie ohne besondere Maßnahmen (elektronische Ansteuerung) nur bedingt geeignet, denn die niederfrequenten Drehzahländerungen erzeugen unangenehme Schwankungen der Tonhöhe.

Kleine Kommutator-Reihenschluß-Motoren werden oft als Universalmotoren bezeichnet, weil sie sowohl bei Anschluß an ein Gleichstromnetz als auch bei Anschluß an ein Wechselstromnetz ein Drehmoment entwickeln. Heute werden sie allerdings fast ausschließlich mit Wechselstrom betrieben, sieht man vom Betrieb an einem Gleichstromsteller ab. Sie gehören zu den wichtigsten Kleinmotoren. Ihr Leistungsbereich liegt zwischen 0,5 W und etwa 2000 W, wobei meist die aufgenommene elektrische Leistung angegeben wird. Die Betriebsdrehzahl des Motors ist aufgrund des mechanischen Kommutators unabhängig von der Frequenz des speisenden Netzes, so daß im Gegensatz zur Asynchronmaschine Drehzahlen möglich sind, die wesentlich über 3000 min^-1 liegen. Aufgrund der hohen Betriebsdrehzahlen lassen sich günstigere Leistungsgewichte erzielen,so daßder Universalmotor als Antrieb in tragbaren Werkzeugen und Haushaltsgeräten der Asynchronmaschine überlegen ist. Ein weiterer Vorteil ist die einfache und preiswerte Drehzahlstellmöglichke it mittels Wicklungsanzapfung bzw. Phasenanschnittsteuerung. Der Universalmotor entwickelt ein mit fallender Drehzahl überproportional ansteigendes Drehmoment (Reihenschluß-Verhalten). Sein hohes Anzugsmoment kann vorteilhaft sein, z. B. beim Antrieb von Rührwerken, Schaltern und Bohrmaschinen. Bei letzteren ist die Gefahr des „Bohrer-Fressens“ geringer. Andererseits erschwert ein bei Belastung so nachgiebiger Antrieb eine Regelung der Drehzahl.

Permanentmagneterregte Gleichstrommotoren werden in sehr unterschiedlichen Ausführungen in einer ständig zunehmenden Anzahl von Verwendungsbereichen eingesetzt. Heute überwiegen Niederspannungsmotoren für 12 bis 24 Volt, und zwar vor allem Motoren in kostengünstiger Bauweise für alle Kraftfahrzeug-Hilfsantriebe. Ihr Einsatz in 220-Volt-Wechselstromnetzen erfordert dagegen nicht nur wegen der Gleichrichtung einen höheren Aufwand: Verglichen mit Universalmotoren ist die Funkentstörungteuer, weil die Entstörwirkung einer Erregerwicklung fehlt. Um höhere Ströme, die das Magnetmaterial bleibend entmagnetisieren könnten, zu vermeiden, muß die Ankerwicklunghochohmig ausgeführt werden. Daher sind höhere Nuten-, Lamellen- und Leiterzahlen sowie dünnere Drähte erforderlich, die Ursachen dafür, daß die Läufer sehr teuer sind. Zusätzlich ist oft noch eine elektronische Begrenzungder Einschaltströme erforderlich. Somit ist ein Permanentmagnetmotor für den Anschluß an ein 220-Volt-Wechselstromnetz keineswegs billiger als ein Universalmotor, der außerdem eine Drehzahlstellung in einem weiten Bereich ermöglicht. Dafür ist die Drehzahlregelung aufgrund der steifen Kennlinie einfacher und ein guter Wirkungsgrad leichter zu erreichen, da die Verluste in der Erregerwicklung entfallen. Ein Beispiel für den Einsatz im 220-Volt-Netz ist der Antrieb eines Haartrockners, bei dem der Heizwiderstand in Reihe zur Ankerwicklung geschaltet werden kann.

In der Antriebstechnik werden zunehmend Motoren verlangt, die die Vorteile des Asynchronmotors (Robustheit, Geräuscharmut, lange Lebensdauer) und die Vorteile des Kommutatormotors (einfache Drehzahlstellung und -regelung, großer Drehzahlstellbereich) in sich vereinigen. Elektronikmotoren (E-C-Motoren) erfüllen diese Forderungen. Sie verfügen dabei weder über die Nachteile der Asynchronmaschine (Blindleistungsbedarf, Läuferverluste) noch über die Nachteile der Synchronmaschine (Schwingfähigkeit, Außer-Tritt-Fallen).

In zunehmendem Maße verlangt die Antriebs- und Steuerungstechnik Einrichtungen, die ein exaktes und schnelles Positionieren mechanischer Systeme ermöglichen. In vielen Fällen werden dafür Motoren benötigt, die sich nicht stetig, sondern schrittweise bewegen. Als Beispiele seien der Antrieb des Typenrades einer Schreibmaschine und der Zeiger einer Uhr genannt. Auf der anderen Seite bietet sich die Digitaltechnik an, Steuerprogramme für Positionieraufgaben zu entwickeln. Um deren elektrische Signale in mechanische Impulse umzusetzen , wird ein digital arbeitender, elektromechanischer Energiewandler benötigt. Ein Schrittmotoren-Antrieb besteht daher stets aus einer Ansteuerschaltung einschließlich einem Netzteil, dem Elektronik-Bauteil , und einem Energie-Umformer,dem Schrittmotor (Bild7.1). Beide gehören untrennbar zusammen und sind elektrisch und mechanisch optimal auf das anzutreibende Gerät abgestimmt. Aus Kostengründen wird der Motor in einer offenen Steuerkette betrieben, d. h. es erfolgt keine Rückmeldung, ob sich der Läufer auch tatsächlich um die gewünschte Strecke weiterbewegt hat. Für einen Schrittmotoren-Antrieb ist daher die Bedingung kennzeichnend,daßeine bestimmte Anzahl elektrischer Impulse in die exakt gleiche Anzahl mechanischer Impulse umgesetzt wird. Die heute eingesetzten Schrittmotoren arbeiten überwiegend nach dem Synchronmotoren-Prinzip.