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Motorentypen

Universalmotor

Elektrische Handmaschinen von der Bohrmaschine über die Handkreissäge bis zur Oberfräse werden von sog. Universalmotoren angetrieben. Diese Motoren sind (fachlich korrekt) Reihenschlussmotoren. Ihre Funktionsweise ist die von Reihenschluss-Gleichstrommaschinen. Im Ständer wird ein stationäres Magnetfeld erzeugt, im Läufer (Anker) ebenfalls, nur ist dies senkrecht zu dem Ständerfeld. Daraus resultiert ein Drehmoment. Bei Drehung des Ankers wird über die Kohlebürsten und den Stromwender oder Kollektor der Strom in den Ankerwicklungen so umgeschaltet, dass das Ankerfeld immer wieder senkrecht zum Ständerfeld steht und das Drehmoment erhalten bleibt. Das besondere am Reihenschlussmotor ist nun, dass dieser mit sehr großer Drehzahlvarianz auf Last reagiert. Unter zunehmender Last verringert sich seine Drehzahl sehr stark bei stetig zunehmendem Drehmoment, während sie bei fehlender Last stark ansteigt. Man kennt das bei nicht elektronisch geregelten Maschinen. Inzwischen sorgen bei etlichen Handmaschinen Regelektroniken für für einigermaßen konstante Drehzahl unter Last und Verhinderung des "Hochjaulens" bei Lastwegfall. Die typischen Eigenschaften der Universalmotoren sind geringes Leistungsgewicht, hohe Drehzahl, und, damit verbunden, nur mäßiger Wirkungsgrad. Die dadurch notwendige Abführung der Verlustwärme über Lüfterräder sorgt ebenso für ordentliche Geräuschentwicklung, wie das zur Drehzahlreduzierung oft notwendige Getriebe. Der Strom beim Einschalten (Stillstandsstrom) erreicht etwa das 10-15-fache des Nennstroms.

Induktionsmotor

Die Wirkungsweise ist phänomenologisch so zu verstehen: Im Ständer mit einer geeigneten Wicklung, die von Dreh- oder Wechselstrom durchflossen ist, entsteht ein sich drehendes magnetisches Feld. Im Läufer befindet sich eine kurzgeschlossene Wicklung, in der, durch Induktion über das Ständerfeld, ebenfalls ein Strom fließt. Dieser Strom im Läufer erzeugt seinerseits ein Magnetfeld, das "versucht, das Ständerfeld abzubremsen". Da die Drehzahl des Ständerfeldes nur von der Frequenz des speisenden Netzes abhängt, gelingt dies nicht, der Läufer dreht sich hinter dem Ständerfeld her. Würde er die gleiche Drehzahl wie das Ständerfeld erreichen, wäre der Induktionseffekt weg, der Läufer dreht also etwas langsamer als das Ständerfeld, er läuft asynchron. Von der Betriebscharakteristik her läuft der Induktionsmotor mit ziemlich konstanter Drehzahl. Er erreicht bei nur geringem Schlupf (Abweichung von der theoretischen Drehzahl) bereits sein Nennmoment und bei wenig geringerer Drehahl bereits das sog. Kippmoment. Das ist das größte Drehmoment, das der Motor abgeben kann. Wird die Belastung weiter erhöht, bleibt er stehen. Im Stillstand wird etwa das 2-3fache Nennmoment erreicht bei allerdings 7-8-fachem Nennstrom.

Der Induktionsmotor wird als dreiphasige Ausführung für Drehstrom gebaut und, für Leistungen bis 2,2KW, auch als einphasiger Motor mit Anlauf- oder Betriebskondensator. Durch die schlechtere Ausbildung des Drehfeldes bei den einphasigen Motoren ist deren Kippmoment und Leistung, bezogen auf die Baugröße, geringer und der Wirkungsgrad schlechter. Auch Drehstrommotoren können einphasig betrieben werden, der Kondensator muss dazu zwischen Netz und drittem Wicklungsanschluss (Steinmetzschaltung) geschaltet werden. Die Kondensatorgröße ist 35uF/KW Leistung.

Möglichkeiten der Bremsung von Elektromotoren

Mechanische Bremse (Bremsmotor)

Direkt am Motor ist eine mechanische Bremse angebracht, die elektrisch betätigt ist. Aus Sicherheitsgründen wird die Bremse bei Beaufschlagung mit Strom gelöst, während sie im stromlosen Zustand wirksam ist. Beim Einschalten des Motors wird die Bremse geöffnet, beim Abschalten geschlossen. Also Bremse und Motor werden gleichzeitig geschaltet. So weit, so einfach, aber leider ist die Sache etwas komplizierter. Man muss nämlich die Bremse auch lösen können, ohne dass der Antriebsmotor läuft. Das Sägeblatt muss von Hand gedreht werden, damit beim Blattwechsel die Stellung zum Blockieren erreicht wird oder es muss geprüft werden, ob der Fräser frei läuft. Also kriegt die Bremse einen extra Schalter. Jetzt muss noch dafür gesorgt werden, dass die Einschaltung des Motors bei betätigtem Bremsschalter (Bremse offen) verriegelt wird, weil sonst Gefahr droht. Der Schalter der Bremse braucht also zwei Kontaktkreise.

Elektronisches Bremsmodul

Diese Geräte erzeugen für eine einstellbare Bremszeit einen ebenfalls einstellbaren Gleichstrom, der durch die Ständerwicklung des asynchronen Antriebsmotors geleitet wird und zusammen mit dem Läufer als Wirbelstrombremse wirkt. Der Motorschalter braucht einen zweiten Kontaktkreis, mit dem nach dem Ausschalten des Motors das Bremsmodul zum Motor hin- und eingeschaltet wird. Die Auslegung dieser Geräte ist meist nicht für den dauernden Betrieb, d. h. es kann nur eine Maximalzahl von Bremsvorgängen pro Stunde gefahren werden. Zudem wird die gesamte kinetische Energie der Maschine im Motorläufer in Wärme gewandelt. Das sollte aber bei "normalem" Betrieb nicht zum Problem werden.

Es gibt auch für Handmaschinen elektronische Auslaufbremsen; bei Akkugeräten sind sie inzwischen Standard; dort sind sie auch am einfachsten zu realisieren. Da diese Maschinen alle mit Permanentmagneten zur Ständerfelderregung ausgerüstet sind, wird einfach der Anker kurzgeschlossen, das wirkt wie ein kurzgeschlossener Generator und sorgt für schnellen Stop. Dieses Verfahren wäre für große Maschinen fatal, bei den kleinen Motoren geht es, eventuell mit elektronischer Strombegrenzung, um mechanische und elekronische Bauteile zu schonen. Bei netzbetriebenen Handmaschinen mit Sanftanlauf und Drehzahlbegrenzung ist es ebenfalls möglich, elektronisch die Auslaufzeit zu verkürzen, dazu wird die Ständerwicklung mit Gleichstrom beaufschlagt und der Anker über eine Strombegrenzung kurzgeschlossen. Der Zusatzaufwand zu den anderen Features wie Drehzahlregelung und Sanftanlauf ist da nicht mehr entscheidend.

Frequenzumrichter

Dieses elektronische Gerät ist die mit Abstand komplexeste aber auch variabelste Lösung beim Antrieb einer stationären Maschine mit Antrieb durch einen Drehstrommotor. Neben der Bremsung, die auf zwei Arten geleistet werden kann, können variable Drehzahlen und Drehzahlrampen gefahren werden. Die Parametrierung dieser Geräte ist etwas für Fachleute, der Anschluss ebenfalls. Kurz zur Funktion: es wird auf elektronischem Weg ein in Spannung und Freuenz variabler Drehstrom erzeugt, der den Motor antreibt. Dabei ist die Spannung der Frequenz proportional. Die Zeit, mit der z. B. der Motor von Drehzahl 0 bis auf Nenndrehzahl hochgefahren wird (Rampe), ist einstellbar. Daurch werden Antriebsteile entlastet. Genauso kann die Drehzahl heruntergefahren werden, dabei wird der Motor gebremst. Bei diesem Vorgang liefert der Motor Energie an den Umrichter. Die führt intern im Umrichter zu einer Spannungserhöhung, die abgebaut werden muss, sonst schaltet der Umrichter den Bremsvorgang aus. Es muss ein sog. Bremschopper und ein Bremswiderstand vorhanden sein oder zugeschaltet werden. Die beim elektronischen Bremsgerät beschriebene Gleichstrombremsung ist meist ebenfalls möglich.

Fazit

Preislich sind mechanische Bremse (Aufpreis für Bremsmotor, nicht kompletter Ersatz) und elektronische Bremse mit Elektroinstallation zum Nachrüsten ungefähr gleich. Von der Wirkungsweise kenne ich aus Erfahrung nur die mech. Bremse bei Kreissäge/Fr?äse und die elektronische Bremse bei einer Bandsäge. Da würde ich die mech. Bremse vorziehen. Allerdings hat eine Bandsäge ein wesentlich größeres Trägheitsmoment als eine Kreissäge, das relativiert die Sache etwas. Der Favorit und vom Funktionsangebot speziell bei der Fräse die mit weitem Abstand eleganteste Lösung ist der Umrichter, leider auch die teuerste. Neugeräte kommen schnell mal auf 1000Euro, gebrauchte sind sehr viel billiger, aber nicht ohne Risiko, da keine Gewährleistung. Einbau und Parametrierung nur durch Fachleute.

Betriebsarten

Wichtige Vorausbemerkung: Man muss hier immer von der Abgabeleistung, die üblicherweise mit P2 angegeben ist, ausgehen!

S1: Dauerbetrieb = Vollastbetrieb

S2: Kurzzeitbetrieb

S6: Last - Aussetzbetrieb (Spieldauer 10 min)

S7 - S10 und S3 - S5 existieren auch, sind jedoch eher selten anzutreffen und für die meisten Holzwerker uninteressant, weshalb auf sie hier nicht näher eingegangen wird.

Die meisten Hersteller von Hobbymaschinen geben bei ihren Motoren als Betriebsart S6-40% an, also 40% relative Einschaltdauer. Das bedeutet, dass der Motor 4min mit der angegebenen Nennleistung betrieben werden darf und anschließend 6 min im Lerrlauf weiterlaufen muss. Hier die Gegenüberstellung desselben Motors in der Betriebsart S6 und S1(100% rel. Einschaltdauer)

S1: 3,2KW (Abgabe) 6,8A 2830U/min 81% Wirkungsgrad S6: 4,4KW (Abgabe) 9,6A 2750U/min 78% Wirkungsgrad

Es macht natürlich mehr her, wenn man eine größere Leistung angeben kann. Andererseits ist es nicht unrealistisch, im Hobbybereich keine Dauerlast anzunehmen. Also: im Vergleich muss man bei S6 mit dem Faktor 0,72 oder rund dreiviertel multiplizieren, um auf die zulässige Dauerleistung zu kommen. Umgekehrt kann man bei der Angabe S1 knapp 40% dazurechnen, um mit S6 zu vergleichen.

Das Problem in der Praxis ist, dass der Motor nicht leuchtet oder hupt, wenn der Maschinist beim Sägen oder Hobeln die Nennleistung des Motors überschreitet. Das einzige, was der Maschinist merkt, ist, dass der Motor stehenbleibt, wenn das Kippmoment überschritten ist. Aber da ist die Nennleistung längst überschritten. Manche Motoren haben einen thermisch betätigten Schutzschalter, andere einen Schutzschalter, der indirekt thermisch wirkt, indem die zu hohe Stromlast über eine gewisse Zeit das Ausschalten bewirkt. Wo solche Sicherungseinrichtungen nicht vorhanden sind, bedarf es einer gelegentlichen Prüfung durch "Handauflegen", um die Motortemperatur zu erfühlen. Wer sich nur auf seine Nase verlässt und wartet bis es "nach Ampere riecht", ist öfter mal verlassen.

Bei den Handmaschinen mit ihren Universalmotoren ist die Beurteilung der Belastung leichter, weil die Drehzahl ein unmittelbares Maß für die Belastung ist. Trotzdem sollte man wissen: der Strom steigt mit sinkender Drehzahl an, gleichzeitig verringert sich auch die Kühlwirkung, d. h. die Überlastung wirkt sich sozusagen doppelt aus.


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