Beim Repulsionsmotor handelt es sich um eine Sonderbauform eines Einphasenasynchronmotors, bei dem zur Drehzahl- und Drehmomenteneinstellung die Bürsten in ihrer Position verstellt werden können. Im Ständer ist eine verteilte Einphasenwicklung angeordnet, der Anker wird wie bei einer Gleichstrommaschine ausgeführt. Der Läuferkreis ist über die Bürsten kurzgeschlossen und die Bürsten können mechanisch zwischen der Kurzschluss- und Leerlaufstellung verdreht werden, um so die Drehzahl und das Drehmoment einzustellen. Eingesetzt werden Repulsionsmotoren unter anderem, wenn hohe, stoßfreie Anfahrmomente gefordert sind. Zur Anwendung kamen sie z. B. bei frühen Elektrolokomotiven wie der französischen E 3301. Durch den mechanisch aufwendigen Aufbau der verstellbaren Bürsten werden sie zunehmend durch robuste und kostengünstige Drehstrom-Asynchronmaschinen ersetzt.
miniatur|Repulsionsmotor
Grundlagen miniatur|hochkant=0.5|Normsymbol Repulsionsmotor
Der Repulsionsmotor hat seine Bezeichnung aufgrund seines Betriebsverhaltens bekommen. Repulsion kommt aus dem Lateinischen und wird abgeleitet aus dem Begriff repulsus, was so viel wie das Rückstoßen bedeutet. Viele Jahre waren Repulsionsmotoren die einzigen Einphasen-Wechselstrommotoren, die als Hochleistungsantriebe, z. B. in E-Loks, geeignet waren. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts gab es bei der Elektrifizierung der Eisenbahn eine Reihe von unlösbaren Problemen: So ließen sich Gleichstrommotoren zwar gut in der Drehzahl regeln, aber Gleichspannung ließ sich über große Distanzen nicht wirtschaftlich übertragen. Drehstrommotoren waren robust und zuverlässig, ließen sich aber nicht in ihrer Drehzahl regeln. Außerdem war die Konstruktion der Stromabnehmer sehr problematisch und kostspielig. Einphasen-Wechselstrom-Motoren hatten noch sehr schlechte Wirkungsgrade, außerdem gab es Probleme durch Feldverzerrung bei den Hauptpolen. Für die Lösung all dieser Probleme schien der Repulsionsmotor bestens geeignet. Allerdings waren die hohen Kosten ein Nachteil, der die allgemeine Verbreitung dieser Maschinen hemmte. Im 20. Jahrhundert wurden die Einphasen-Reihenschlussmotoren technisch verbessert und der Repulsionsmotor in den elektrischen Eisenbahnen kaum mehr eingebaut. Ihn verdrängte als Bahnmotor regelrecht der Einphasen-Reihenschlussmotor. Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurde auch dieser sukzessive durch Maschinen mit Drehstrommotoren ersetzt.
Geschichtlicher Überblick mini|Historischer 10-poliger Déri-Repulsionsmotor der Elektrolokomotive Midi E 3301
Im Jahr 1887 erfand Elihu Thomson den Vorläufer des Repulsionsmotors. Etwa fünf Jahre später konzipierte E. Arnold im Jahr 1892 den ersten Repulsionsmotor, der allerdings nicht dauerhaft betrieben werden konnte (zu starkes Bürstenfeuer). 1894 baute die Maschinenfabrik Oerlikon einen Repulsionsmotor mit einer Kurzschlussvorrichtung und kombinierter Bürstenabhebevorrichtung. Drei Jahre später wurde der von der Maschinenfabrik Oerlikon entwickelte Motor von der Wagner Elektro Mfg. Co mit großem Erfolg in den USA produziert. Im darauffolgenden Jahr (1898) nutzte Miksa Déri die Vorzüge des als „Wagner-Motor“ bezeichneten Repulsionsmotors und konstruierte einen als Repulsionsmotor anlaufenden Induktionsmotor. Im Jahr 1904 entwickelten die Wiener Ingenieure Gabriel Winter und Friedrich Eichberg in Berlin bei der Firma AEG eine Kombination aus Repulsionsmotor mit einem Reihenschlussmotor, den Winter-Eichberg-Motor, welcher bei der Stubaitalbahn zum Einsatz kam. Im Jahr darauf entwickelte Miksa Déri einen Repulsionsmotor mit zwei Bürstensätzen, den Déri-Motor, und stellte ihn der Fachwelt vor. Im Jahr 1913 nahm die Rhätische Bahn acht mit Repulsionsmotoren ausgerüstete Loks (RhB Ge 2/4 und Ge 4/6 301) in Betrieb, von denen heute noch zwei weitgehend im Originalzustand vorhanden sind.
Arten von Repulsionsmotoren Es wurde bereits eine Vielzahl von Stromwendermotoren für Einphasenwechselstrom entwickelt. Aus der Vielzahl dieser Entwicklungen haben sich zwei Repulsionsmotorarten in der Praxis bewährt und durchgesetzt. Es gibt Repulsionsmotoren mit einfachem Bürstensatz und Repulsionsmotoren mit doppeltem Bürstensatz (Déri-Motor). Déri-Motoren ermöglichen eine feinstufigere Drehzahleinstellung, außerdem haben sie einen etwas höheren Wirkungsgrad als Repulsionsmotoren mit einfachem Bürstensatz. Allerdings sind für den Déri-Motor aufgrund des höheren Kollektorverschleißes und des erhöhten Verschleißes der Kohlebürsten fast doppelt so hohe Wartungskosten zu veranschlagen wie beim Repulsionsmotor mit einfachem Bürstensatz. Größere Déri-Motoren lassen sich zu Repulsionsmotoren mit einfachem Bürstensatz umbauen, bei kleineren Déri-Motoren ist dies in der Regel nicht möglich.
Aufbau Der Repulsionsmotor besteht wie jeder Elektromotor aus dem Ständer (Stator) und dem Läufer (Rotor). Den Stator bezeichnet man auch als Primäranker und den Rotor als Sekundäranker. Der Ständer des Repulsionsmotors ist so ähnlich aufgebaut wie der des Einphaseninduktionsmotors. Im Ständerblechpaket liegt eine Einphasenwicklung in meist gleichmäßig verteilten Nuten. Zwei Drittel der Nuten werden von der Arbeitswicklung (U - V), die auch als Netzwicklung bezeichnet wird, belegt. Das restliche Drittel der Nuten bleibt entweder frei oder wird nur teilweise bewickelt.
Die Wicklung des Läufers ist wie eine Gleichstromwicklung aufgebaut. Der Rotor ist somit einem Gleichstromanker sehr ähnlich. Die Rotorwicklung ist an einem Kommutator (Stromwender) angeschlossen. Die auf dem Stromwender schleifenden Kohlebürsten, die nicht mit dem Netz verbunden sind, sind kurzgeschlossen. Diese Bürstenbrücke ist so aufgebaut, dass sie verschiebbar ist. Somit können die Kohlebürsten zusammen verstellt werden. Da der Ankerkreis in sich geschlossen ist, kann der Strom der Ankerwicklung nicht direkt von außen zugeführt werden.
Beim Repulsionsmotor ist die Stromwendung schwieriger als bei Gleichstrommotoren. Deshalb wird die Lamellenspannung, das ist die Spannung zwischen zwei benachbarten Lamellen, niedriger gewählt. Aus diesem Grund steigt die Lamellenzahl. Dieses wiederum führt zu einer Vergrößerung der Stromwender.
Beim Repulsionsmotor mit einfachem Bürstensatz gibt es zweipolige und vierpolige Motoren. Beim zweipoligen Repulsionsmotor mit einfachen Bürstensatz sind die Bürsten auf der verstellbaren Bürstenbrücke um 180° versetzt. Sie können bei kleineren Motoren auch zur Drehzahlsteuerung genutzt werden. Dazu können sie theoretisch um jeweils 90° nach rechts oder links aus der neutralen Zone verschoben werden. Beim vierpoligen Repulsionsmotor mit einfachem Bürstensatz sind die Bürsten auf der verstellbaren Bürstenbrücke um 90° versetzt und können somit theoretisch um jeweils 45° (rechts/links) aus der Anlaufstellung (neutrale Zone) verschoben werden.
miniatur|hochkant=0.5|Zweipoliger Derimotorminiatur|hochkant=0.5|Vierpoliger Derimotor
Bei größeren Motoren wird die Bürstenverstellvorrichtung mit dem Schalter gekuppelt, der die Arbeitswicklung mit dem Netz verbindet. Der Schalter ist mechanisch so mit der Bürstenbrücke verbunden, dass das Netz erst zugeschaltet wird, wenn die Bürstenbrücke eine Stellung erreicht hat, in welcher der Motor ein ausreichendes Anlaufdrehmoment entwickeln kann. Dies ist erforderlich, um den Kollektor vor zu starkem Bürstenfeuer zu schützen. Um das Bürstenfeuer während des Betriebes zu eliminieren, haben größere Motoren eine Bürstenabhebevorrichtung mit integrierter Kurzschlussvorrichtung. Hierbei werden nach dem Anlaufen des Motors die Bürsten abgehoben und die Rotorwicklungen in sich kurzgeschlossen. Allerdings ist in dieser Stellung die Drehzahl nicht mehr veränderbar.
Beim Déri-Motor sitzen auf dem Stromwender zwei kurzgeschlossene Bürstensätze, die jeweils aus einer unbeweglichen und einer beweglichen Bürste bestehen. Die beiden unbeweglichen Bürsten sind so angeordnet, dass sie in Richtung zur Erregungsachse stehen. Die beweglichen Bürsten lassen sich einzeln so verstellen, dass man die gleichen Betriebsbedingungen (Drehrichtungsänderung und Drehzahlverstellung) wie beim Repulsionsmotor mit einfachem Bürstensatz erhält. Aufgrund der zwei einzeln verstellbaren Bürsten ist der theoretische Verschiebewinkel jeweils doppelt so groß wie beim einfachen Repulsionsmotor. Dadurch erhält man eine feinstufigere Drehzahleinstellung.
Der Läufer und der Ständer sind bei Repulsionsmotoren galvanisch nicht miteinander verbunden.
Wirkungsweise Legt man die Netzwicklung an eine Wechselspannung, fließt ein Strom durch die Spule, und es entsteht ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Ständerwechselfeld durchsetzt den Rotor und induziert eine Spannung in den Läuferspulen. Über die Bürstenbrücke wird der Stromkreis geschlossen, es fließt ein Läuferstrom.
Die Höhe des Läuferstromes und auch die Lage des Läuferfeldes sind abhängig von der Stellung der Bürstenbrücke. Die induktive Kopplung (transformatorische Kopplung) zwischen Ständer und Läufer funktioniert bei Repulsionsmotoren prinzipiell genauso wie bei anderen Induktionsmotoren. Deshalb dürfen Repulsionsmotoren nur an Wechselspannung angeschlossen werden.
Betriebsverhalten Beim Repulsionsmotor gibt es hinsichtlich des Betriebsverhaltens drei unterschiedliche Bürsteneinstellungen, die Leerlaufstellung, die Kurzschlussstellung und die Betriebsstellung.
miniatur|hochkant=0.5|Leerlaufstellung
Leerlaufstellung Hierbei befindet sich die kurzgeschlossene Bürstenbrücke in der neutralen Zone. Die Verbindungslinie der Bürsten liegt senkrecht zur Achse des Ständerfeldes. Obwohl das magnetische Feld die Rotorwicklung durchsetzt, wird in der Leerlaufstellung keine Spannung induziert und somit fließt auch kein Läuferstrom, denn in einer Spule kann keine Spannung induziert werden, wenn deren Achse senkrecht an einem magnetischen Wechselfeld liegt. Diese Leerlaufstellung nennt man auch Anlaufstellung. Aus dem Netz wird von der Ständerwicklung nur ein geringer Leerlaufstrom entnommen. Der Repulsionsmotor verhält sich in der Leerlaufstellung somit wie der Einphasen-Anwurfmotor. Beim Déri-Motor stehen in der Anlaufstellung die beweglichen Bürsten direkt neben den unbeweglichen Bürsten der jeweiligen Bürstenbrücke (A neben A1 bzw. B neben B1).
miniatur|hochkant=0.5|Kurzschlussstellung
Kurzschlussstellung Verschiebt man die Bürsten aus der Leerlaufstellung, so erreicht man die Kurzschlusszone (Kurzschlussstellung). Die Kurzschlussstellung erreicht man beim zweipoligen Motor mit doppeltem Bürstensatz bei einer Bürstendrehung um 180° und beim vierpoligen Motor mit einfachem Bürstensatz bei einer Bürstendrehung um 90°. Hierbei liegen dann die Bürsten in Richtung des Ständerfeldes.
In der Kurzschlussstellung verhält sich der Repulsionsmotor wie ein kurzgeschlossener Transformator. Im Läufer fließt nun ein sehr großer Strom. Die vom Ständerfeld und Läuferfeld erzeugte Kraft wirkt in Richtung auf die Welle. Die Motorwirkung hört auf und der Motor gibt trotz des großen Läuferstromes kein Drehmoment ab, der Läufer bleibt stillstehen. Würde man den Läufer längere Zeit in der Kurzschlusszone belassen, dann würde der Motor auf Grund der hohen Läuferströme beschädigt. Damit dies im Betrieb nicht passieren kann, wird das Erreichen der Kurzschlussstellung durch einen mechanischen Anschlag verhindert. Außerdem wird zur Vermeidung der großen Anlaufsströme das Anlassen des Motors aus der Kurzschlussstellung vermieden.
Betriebsstellung miniatur|hochkant=0.5|Betriebsstellung im Rechtslaufminiatur|hochkant=0.5|Betriebsstellung im Linkslauf