6.1 GSM: Aufbau Seite 1 Geschichte 1832: Erster Generator von H. Pixii (Franzose) mit rotierenden Hufeisenmagneten 1860: Entwicklung der Ringwicklung und dem vielteiligen Stromwender durch A. Pacinotti 1866: Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner v. Siemens, Aufbau der nach heutigen Maßstäben "ersten" elektrischen Maschine 1872: Erfindung des heute üblichen Trommelankers durch F. v. Hefner-Alteneck, ab 1882 in Zweischichtwicklung (Weston, USA) Leistungsbereich Mit Einführung des Drehstroms 1890 verloren die Gleichstrommaschinen ihre beherrschende Marktstellung an die Asynchron- und Synchronmaschinen. Im Bereich der drehzahlgeregelten Antriebe behauptet die Gleichstrommaschine noch immer einen bedeutenden Marktanteil, welcher ihr in jüngerer Zeit mehr und mehr durch umrichtergespeiste Drehstrommaschinen streitig gemacht wird. Der Leistungsbereich beginnt unterhalb von einem Watt für die Feinwerktechnik und Spielzeuge und erreicht bei ca. 100W die höchsten Umsatzzahlen für die Kfz-Elektrik. Größere Antriebe werden im Bereich der Servoantriebe (bis einige kw) meist in speziellen Bauformen eingesetzt. Weitere Einsatzbereiche sind Werkzeugmaschinen, Förderanlagen, Walzstraßen und Fahrmotoren für Nahverkehrsbahnen. Die größten Motoren erreichen bei Spannungen von meist unter 1500V Leistungen bis 10MW Als Sonderbauform der Gleichstrommaschine wird der auch für Wechselstrom geeignete Universalmotor (Reihenschlussmotor) in Haushaltsgeräten und handgeführten Elektrowerkzeugen eingesetzt.
6.1 GSM: Aufbau Seite 2 Prinzipieller Aufbau Bild 6.1-1: Prinzipieller Aufbau einer Gleichstrommaschine, A: Ankerwicklung, B: Bürsten, J: Joch, E: Erregerwicklung, K: Kommutator, P: Hauptpol Die die Erregerwicklung (E) tragenden Hauptpole (P) bestehen aus geblechtem Dynamostahl und werden zu Paketen gepresst mit Schraubbolzen an das massive oder geblechte Joch (J) angeschraubt. Bei kleineren Maschinen werden Pole und Joch aus einem Blech gestanzt. Die Erregerwicklung kann mit der Ankerwicklung in Reihe (Reihenschlussmotor), parallel (Nebenschlussmotor) oder als Doppelschlussmotor (Reihenparallelschaltung) geschaltet sein. In Kleinmotoren wird die Maschine meist mit Permanentmagneten erregt. Der Anker besteht aus Dynamoblech, in dem wie bei der Asynchronmaschine Nuten zur Aufnahme der Ankerwicklung (A) gestanzt sind.
6.1 GSM: Aufbau Seite 3 Der Anfang und das Ende jeder Ankerspule sind mit jeweils einer Lamelle (Steg) des Kommutators (K, Stromwender, Kollektor) verschaltet. Der Gleichstrom wird den Ankerspulen über Kohlebürsten (B), die auf den Kommutator aufliegen, zugeführt. Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens werden reale Gleichstrommaschinen im Allgemeinen mit weiteren Statorwicklungen wie Wendepolwicklung, Kompensationswicklung und Kompoundwicklung ausgestattet. Anschlussbezeichnungen Für die Darstellungen der Wicklungen wird nach DIN 40900 Teil 6 (3.88) zur internationalen Vereinheitlichung eine Anzahl von Kreisbögen verwendet (Bild 6.1-2). Die Anschlussbezeichnungen sind in VDE 0530 Teil 8 festgelegt. Ankerwicklung: Wendepolwicklung: Kompensationswicklung: Erregerwicklung (Reihenschluss): Erregerwicklung (Nebenschluss): Erregerwicklung (Fremderregung): A1-A2 B1-B2 C1-C2 D1-D2 E1-E2 F1-F2 Bild 6.1-2: Schaltbilder von Gleichstrommotoren, a) Reihenschlussmotor, b) Nebenschlussmotor
6.1 GSM: Aufbau Seite 4 Bild 6.1-2: Schaltbilder von Gleichstrommotoren, c) Fremderregter Motor, d) Doppelschlussmotor Ausführungsformen Bild 6.1-3: Gleichstrom-Walzmotor Gleichstrommaschine MCJ 9021-220, VEM-Elektroantriebe GmbH, Sachsenwerk Dresden, 1600kW bei 220U/min, 2460A, 700V
6.1 GSM: Aufbau Seite 5 Bild 6.1-4: Vierpolige, vollgeblechte GSM 38kW, 400V, 14601/min, F. Kessler KG, Bad Buchau 1: Ständerblech 2: Hauptpol 3: Wendepol 4: Erregerwicklung 5: Wendepolwicklung 6: Anker 7: Ankerwicklung 8: Stromwender 7: Kohlebürsten
6.1 GSM: Aufbau Seite 6 Sonderausführungen Bild 6.1-5: Vergleich zwischen elektrischer (a) und permanentmagnetischer (b) Erregung 1: Anker 2: Hauptpol mit Erregerwicklung 3: Schalenmagnet 4: Jochring Bild 6.1-6: Scheibenläufermotor 1. Ankerscheibe mit Gleichstromwicklung aus Leiterbahnen 2: Dauermagnete 3: Kohlebürsten 4: Eisenrückschluss 5: nichtmagnetisches Gehäuse Vorteile des Scheibenläufers: kleines Trägheitsmoment, keine Nutung, kleine Ankerinduktivität, große Kühloberfläche der Ankerscheibe, gute Stromwendung wegen kleiner Streuung.
6.1 GSM: Aufbau Seite 7 Bild 6.1-7: Blockschaltbild eines 4-phasigen Motors mit elektronischer Kommutierung, 1: Permanentmagnetläufer, 2: viersträngige Ständerwicklung, 3: Hallsonden, 4: Kommutierungs-Transistoren, 5: Schalttransistor, 6: Glättungsdrossel, 7: Steuer- und Regelelektronik Bild 6.1-8: Blockschaltbild eines heute weit verbreiteten 3-phasigen EK-Motors mit Blockkommutierung