Wechselstrom-Bürstenmotoren (allgemein bekannt als Einphasen-Universalmotoren oder Allstrommotoren) werden häufig in hochtourigen Haushaltsgeräten wie Staubsaugern und Haartrocknern eingesetzt. Ihre Stator- und Rotorwicklungen sind in Reihe geschaltet. Selbst wenn sie mit Wechselstrom (AC) versorgt werden, dessen Richtung sich ständig umkehrt, ändern die Magnetpole von Stator und Rotor ihre Polarität gleichzeitig, wodurch eine konstante Richtung des Drehmoments aufrechterhalten wird.
Im Gegensatz zu den Permanentmagneten von Gleichstrom-Bürstenmotoren besteht der Stator eines Universalmotors aus einem Satz von Elektromagnetspulen. Wenn Wechselstrom angelegt wird, wechselt die Polarität (N/S-Pole) des Statorelektromagneten mit der Richtung des Wechselstroms.
Die „Reihenschluss-Struktur“ des Motors bedeutet, dass der aus der Wechselstromquelle fließende Strom zuerst durch die Statorspulen fließt, dann über die Kohlebürsten und Kommutatorlamellen in die Rotorspulen und schließlich zur Stromquelle zurückkehrt. Das bedeutet, dass die Ströme durch Stator und Rotor sich vollkommen synchron ändern.
Wenn der Wechselstrom von positiv zu negativ wechselt, kehrt sich das Statormagnetfeld um (z. B. ändert sich die linke Seite von N nach S). Im selben Moment kehrt sich auch der durch die Rotorspulen fließende Strom um, wodurch sich die Magnetpole des Rotors synchron umpolen! Nach den Gesetzen der magnetischen Anziehung bleiben die Richtungen von Abstoßung und Anziehung unverändert, da sich beide Magnetpole gleichzeitig umkehren, und der Motor dreht sich weiter in seiner ursprünglichen Richtung!
In dieser interaktiven Demonstration sehen Sie den physikalischen Zustand eines Universalmotors, der mit einphasigem Wechselstrom (AC 220V) betrieben wird. Sowohl während der positiven als auch der negativen Halbwelle des sinusförmigen Wechselstroms klappen die Magnetfeldrichtung des Statorelektromagneten und die Polarität der Rotorwicklung zusammen um. Dadurch zeigt das Drehmoment stets im Uhrzeigersinn, was dem Motor zusammen mit der segmentierten Umschaltung des Kommutators einen reibungslosen und schnellen Betrieb unter Wechselstrom ermöglicht.
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| Schritt | AC-Halbwellenstatus | Statorpolarität (Links/Rechts) | Bürste (+) Kontaktsegment | Bürste (-) Kontaktsegment | Elektromagnetisches Drehmoment Status |
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Der Stator eines Gleichstrom-Bürstenmotors ist ein Permanentmagnet, dessen Magnetfeldrichtung fest ist. Bei Anschluss an Wechselstrom bleibt die Magnetfeldrichtung des Stators bei Stromumkehr unverändert, der in die Rotorspule fließende Strom kehrt sich jedoch um, wodurch sich auch das elektromagnetische Drehmoment umkehrt. Infolgedessen schwingt oder vibriert der Motor im 50Hz-Wechselfeld nur heftig hin und her, ohne sich in eine Richtung zu drehen. Da Stator und Rotor eines Universalmotors hingegen in Reihe geschaltet sind, kehren sich ihre Polaritäten synchron um („zweimal Minus ergibt Plus“), was eine kontinuierliche Drehung im Uhrzeigersinn ermöglicht.
Ein Universalmotor (auch als Reihenschlussmotor bekannt) wird so genannt, weil er sowohl mit Einphasen-Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden kann. Da sein Drehmoment nur vom Produkt der Stromrichtungen in Stator und Rotor abhängt, erzeugt das Anlegen von Gleich- oder Wechselstrom ein Antriebsmoment in dieselbe Richtung. Er bietet extrem hohe Drehzahlen, eine einfache Drehzahlregelung über die Spannung und ist sehr kostengünstig.
Sie werden häufig in Haushaltsgeräten und Elektrowerkzeugen eingesetzt, die extrem hohe Drehzahlen und ein starkes Drehmoment für relativ kurze Zeiträume erfordern. Beispiele sind:
• Staubsauger: Hohe Drehzahlen sind erforderlich, um Unterdruck zu erzeugen (typischerweise 20.000 bis 40.000 U/min).
• Haartrockner: Schnell drehende Lüfterräder sind erforderlich, um ein hohes Luftvolumen zu liefern.
• Bohrmaschinen und Winkelschleifer: Bieten tragbare Kraft mit hohem Drehmoment zum Schneiden von Metall und Holz.
• Standmixer und Küchenmaschinen: Hohe Drehzahlen sind erforderlich, um Lebensmittelfasern zu zerkleinern.
Es gibt zwei Hauptgeräuschquellen:
• Hochfrequente Bürstenreibung: Die Kohlebürsten und Kommutatorsegmente erzeugen bei Drehzahlen von zehntausenden U/min intensive mechanische Reibungsgeräusche und winzige Lichtbogen-Pops.
• Hochgeschwindigkeits-Luftströmungspfeifen: Betriebsdrehzahl von zehntausenden U/min sind weitaus höher als die von normalen Induktionsmotoren (normalerweise max. 3.000 U/min). Die Lüfterflügel oder der Rotorkern, die sich mit solchen Geschwindigkeiten durch die Luft schneiden, verursachen starke Luftreibung und Pfeifgeräusche. Dies ist auch der Grund, warum High-End-Haartrockner und -Staubsauger auf „bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC)“ für einen leiseren Betrieb umsteigen.