Was ist ein Universalmotor?
Funktionsprinzip
Ein Universalmotor ist ein Reihenschluss-Kommutatormotor: Feldwicklung und Anker liegen in Reihe, sodass durch beide derselbe Strom fließt. Das Drehmoment ist der Feldfluss mal Ankerstrom, und weil derselbe Strom auch den Fluss erzeugt, wächst das Drehmoment etwa mit dem Quadrat des Stroms (M ∝ I²). Kohlebürsten und ein Kommutator speisen den Anker, genau wie beim Gleichstrom-Reihenschlussmotor, weshalb dieselbe Maschine auch an Gleichstrom läuft.
Warum er an AC und DC läuft
Kehrt man die Versorgung um, kehren sich Feld- und Ankerstrom gemeinsam um, M ∝ I² behält sein Vorzeichen und der Rotor dreht weiter in dieselbe Richtung. An AC wird das Drehmoment nie negativ: Es pulsiert mit 2f, also 100- oder 120-mal pro Sekunde, zwischen null und dem Doppelten des Mittelwerts. Die Reaktanz der Wicklungen nimmt außerdem einen Teil der Spannung auf, daher läuft der Motor bei gleicher Effektivspannung an AC langsamer als an DC und hat einen Leistungsfaktor unter 1.
Drehzahl, Last und Durchgehen
Die induzierte Gegenspannung ist proportional zu Fluss und Drehzahl. Bei geringer Last sinkt der Strom, das Feld wird schwächer und nichts bremst den Rotor; er beschleunigt, bis Reibung und der eigene Lüfter ihn begrenzen, oft auf 10.000 bis 35.000 min⁻¹. Ohne Last kann sich ein kleiner Universalmotor selbst zerstören. Die steile Drehzahl–Drehmoment-Kennlinie, bei der die Drehzahl mit der Last schnell fällt, verleiht ihm zudem ein sehr hohes Anzugsmoment.
Drehzahlsteuerung und Einsatz
Ein Triac verzögert das Einschalten nach jedem Nulldurchgang der Netzspannung. Diese Phasenanschnittsteuerung senkt die Effektivspannung auf V·√(1 − α/π + sin 2α / 2π) und damit die Drehzahl; deshalb regeln dimmerähnliche Steller Bohrmaschinen, Mixer und Staubsauger. Universalmotoren werden wegen hoher Drehzahl, geringem Gewicht und starkem Anzugsmoment gewählt; Bürstenfeuer begrenzt die Lebensdauer und verursacht Funkstörungen.
Häufig gestellte Fragen
- Warum läuft ein Universalmotor an AC und an DC?
- Feld und Anker liegen in Reihe, daher kehren sich beim Umpolen der Versorgung beide gleichzeitig um. Das Drehmoment hängt vom Quadrat des Stroms ab (M ∝ I²), das sein Vorzeichen nicht wechselt, und der Rotor dreht weiter in dieselbe Richtung. An AC pulsiert das Drehmoment lediglich mit der doppelten Netzfrequenz. Wechseln Sie im Simulator die Versorgungsart und vergleichen Sie.
- Warum geht ein Universalmotor im Leerlauf durch?
- Die Drehzahl ist die Gegenspannung geteilt durch den Fluss. Bei fast keiner Last sinkt der Strom, das Reihenschlussfeld wird schwach und die Drehzahl muss stark steigen, bis die Gegenspannung die Versorgung ausgleicht. Nur Reibung und Lüfter begrenzen sie, sodass zehntausende Umdrehungen pro Minute erreicht werden. Senken Sie die Last auf null und beobachten Sie die Warnung.
- Wie steuert ein Triac die Drehzahl eines Universalmotors?
- Der Triac leitet nach jedem Nulldurchgang erst ab dem Zündwinkel α, sodass der Motor eine angeschnittene Sinuskurve mit kleinerer Effektivspannung V·√(1 − α/π + sin 2α / 2π) sieht. Weniger Spannung bedeutet bei gleichem Drehmoment weniger Strom und damit eine geringere Drehzahl. Erhöhen Sie im Simulator den Zündwinkel, um Spannung und Drehzahl sinken zu sehen.