Auch wenn Straßenbahnantriebe technisch heute anders gelöst werden, ist dies ein sehr gutes Beispiel, um die Funktionsweise von Reihenschlussmotoren zu erklären. In kleineren Versionen ist er ebenfalls in Verbrennungsmotoren als Anlasser verbaut. Doch warum ist das eigentlich so und was macht den Aufbau des Reihenschlussmotors besonders?

Um massereiche Gegenstände in Bewegung zu versetzen, benötigt man gerade bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment. Genau das kann der Reihenschlussmotor mit seinem Aufbau leisten.

Ein sehr schweres Objekt wie ein elektrischer Triebwagen kann deshalb mit ihm leicht in Bewegung versetzt werden, weil er aus dem Stand dieses riesige Drehmoment erzeugen kann. Wie funktioniert das und was sind die wesentlichen Eigenschaften des Reihenschlussmotors?

• Der Reihenschlussmotor benötigt einen magnetisch leitfähigen Stator.
• Dieser Stator ist mit einer Spule mit wenigen Windungen umwickelt und hat somit einen geringen elektrischen Widerstand.
• Somit wird das Magnetfeld stark durch den Anker (Rotor) beeinflusst.
• Hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl.
• Eine hohe Drehzahl aufgrund niedriger Last kann einen Reihenschlussmotor zerstören.
• Ein Reihenschlussmotor kann Wechsel- oder Gleichstrom betrieben werden.

In seinem Aufbau unterscheidet sich der Reihenschlussmotor nicht allzu sehr von einem fremderregten bzw. permanenterregten Gleichstrommotor. Der Stator besteht allerdings nicht wie bei einem permanenterregten Gleichstrommotor aus einem Permanentmagneten, sondern aus einem magnetisch leitfähigen Material wie Eisen. Dieser ist mit einer Spule umwickelt, die wie der Kommutator (Anker) aus der gleichen Quelle mit Strom gespeist wird.

Wie der Name Reihenschlussmotor vermuten lässt, sind bei ihm Spule am Stator (Feldwicklung) und Anker in Reihe geschaltet, um den magnetischen Fluss zu ermöglichen. Zum Vergleich: Bei einem Nebenschlussmotor werden Anker und Feldwicklung parallelgeschaltet, haben aber dennoch dieselbe Gleichstromquelle. Beim fremderregten Gleichstrommotor hingegen werden Anker und Feldwicklung an zwei voneinander unabhängige Stromkreisläufe angeschlossen.

Der Reihenschlussmotor muss an der Wicklung am Stator einen deutlich geringeren Widerstand aufweisen, als etwa ein Nebenschlussmotor, da der gesamte Strom aufgrund der Reihenschaltung vollständig durch beide Wicklungen fließt.

Die Ankerwicklung hat in der Regel auch nur wenige Windungen.
Das aber schmälert die Kraft des Magnetfeldes, welches jetzt bei dieser Motorbauart erzeugt wird, in keiner Weise im Vergleich zu den anderen Konstruktionsweisen eines Elektromotors. Durch die geringere Anzahl an Windungen wird lediglich verhindert, dass der ohmsche Widerstand am Anker zu groß wird.

Wie stark das Magnetfeld der Spule am Stator schließlich wird, ist daher stark vom Anker abhängig. Bei der Bauweise eines Reihenschlussmotors muss der Anker demnach den Widerstand aufbauen.

Da der Anker die mechanische Arbeit verrichtet, benötigt er selbst auch ein hohes Gegenmoment, da sonst seine Drehzahl sehr hoch ansteigen wird. Dieses Gegenmoment kann dann etwa durch massereiche Objekte wie zum Beispiel einen Zug erfolgen.

Somit erzeugt der Reihenschlussmotor im niedrigen Drehzahlbereich ein sehr hohes Drehmoment. Perfekt, um massereiche Objekte anfahren zu lassen bzw. in Bewegung zu versetzen.

Umgekehrt bedeutet dies allerdings auch, dass bei einem niedrigen Drehmoment die Drehzahl steigt. Aufgrund der Fliehkräfte am Anker wird der Motor beschädigt bzw. verklemmt die Ankerwicklung innerhalb des Stators. Dies kann im Extremfall den Motor zerstören!

Mit dem Blick auf eine Straßenbahn ergibt sich folgende Situation: Die Straßenbahn fährt an oder einen Berg hinauf, benötigt also viel Kraft. Das erfordert ein hohes Drehmoment und bringt folglich eine niedrige Drehzahl. Die Straßenbahn mit Reihenschlussmotor setzt sich also langsam in Bewegung oder wird am Berg langsamer. Allerdings benötigt sie jetzt auch eine große Menge an Leistung des Reihenschlussmotors, um überhaupt weiterzufahren.

Nun kommt die Straßenbahn aber an eine Stelle, die bergab führt. Der Reihenschlussmotor wird nun gar nicht mehr beansprucht, denn die Bahn rollt jetzt den Berg hinunter. Und da jetzt das Drehmoment sinkt, steigt zugleich die Drehzahl des Gleichstrommotors. Die Drehzahl steigt exponentiell an und würde die Bahn beschleunigen, sodass der Motor vom Fahrwerk der Straßenbahn getrennt werden muss. Doch jetzt fehlt jeglicher Widerstand, da keine Masse mehr mit dem Anker vom Reihenschlussmotor verbunden ist.

Was passiert nach der Trennung? Der Motor würde den Fahrgästen der Straßenbahn um die Ohren fliegen, wenn er keinen neuen Widerstand am Anker bekommt. Natürlich kann man im allergrößten Notfall den Motor auch einfach abstellen, aber es gibt noch die Möglichkeit, einen weiteren Widerstand dazuzuschalten. Durch den zusätzlichen Widerstand wird der Ankerwiderstand so stark erhöht, dass sich das Magnetfeld schwächt und der Anker sich langsamer dreht.

Durch das Wegfallen der Last, z.B. durch ein defektes Getriebe oder eine gebrochene Welle, erreicht der Reihenschlussmotor demnach einen kritischen Zustand.

Aus diesem Grund sollte kein Elektromotor ohne Strombegrenzung bzw. ohne ein Regelgerät mit entsprechender Schutzfunktion betrieben werden

Anders als andere Konstruktionsvarianten von Elektromotoren, kann der Reihenschlussmotor auch mit Wechselstrom betrieben werden weshalb dieser teilweise auch als Universalmotor bezeichnet wird. Bei dem Nebenschlussmotor und bei dem fremderregten Gleichstrommotor ist dies nicht möglich.

Mit Wechselspannung als Stromquelle wirkt beim Reihenschlussmotor das Drehmoment noch immer in die gleiche Richtung, da sowohl Ankerstrom als auch der Erregerstrom bei jeder Halbwelle zugleich die Polung wechseln.

Um den Reihenschlussmotor als einen Generator nutzen zu können, muss seine Erregerwicklung dann allerdings umgepolt werden, da sonst der durch die Feldwirkung generierte Strom das Erregerfeld neutralisieren würde.

Der Reihenschlussmotor im Alltag
Kleinere Versionen des Reihenschlussmotors mit Wechselstrombetrieb finden sich auch in vielen Haushaltsgeräten. Wichtig ist, dass die Last dieser Geräte einen permanenten Widerstand erzeugen, damit der Motor nicht durch die hohe Drehzahl kaputt geht.

Ein gutes Beispiel für einen permanenten Widerstand, der viel Leistung benötigt, befindet sich etwa in einem Staubsauger. Dieser benötigt viel Leistung, also ein hohes Drehmoment, und erzeugt mit der angesaugten Luft immer einen hohen Grundwiderstand, der die Drehzahl vom Reihenschlussmotor begrenzt.