Wie funktioniert ein Gleichstrommotor?

Wie funktioniert ein Gleichstrommotor?

A Gleichstrommotor ist eine der wichtigsten Erfindungen in der Geschichte der Elektrotechnik und wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Von industriellen Maschinen und Verkehrssystemen bis hin zu Haushaltsgeräten und Robotik ist er eine Schlüsselkomponente in unzähligen Geräten. Das Verständnis dafür, wie ein Gleichstrommotor funktioniert, ist für Ingenieure, Techniker und alle, die sich für elektromechanische Systeme interessieren, von wesentlicher Bedeutung.

Dieser Artikel erklärt die Funktionsprinzipien eines Gleichstrommotors, seine Komponenten, Arten und Anwendungen sowie die Wissenschaft hinter seiner Funktionsweise. Wir werden auch erläutern, wie Drehmoment erzeugt wird, welche Rolle die Kommutierung spielt und wie Drehzahl und Richtung gesteuert werden.

Grundprinzip der Funktionsweise

Das grundlegende Wirkungsprinzip eines Gleichstrommotors basiert darauf elektromagnetismus . Wenn ein stromdurchflossener Leiter in ein Magnetfeld gebracht wird, erfährt er eine mechanische Kraft. Dies wird durch die linke-Faust-Regel von Fleming beschrieben, welche besagt:

• Die daumen zeigt die Richtung der Kraft (Bewegung).

• Die erster Finger zeigt die Richtung des Magnetfeldes (Nord nach Süd).

• Die zweiter Finger zeigt die Stromrichtung (positiv nach negativ).

Indem der Leiter im Inneren des Motors in einer bestimmten Anordnung platziert wird, kann diese Kraft genutzt werden, um eine kontinuierliche Rotation zu erzeugen.

Hauptkomponenten eines Gleichstrommotors

Anker (Rotor)

Der rotierende Teil des Motors, der Strom durch Wicklungen führt. Der Anker ist auf einer Welle montiert und wechselwirkt mit dem Magnetfeld, um Drehmoment zu erzeugen.

Kommutator

Ein segmentierter Kupferring, der mit den Ankerwicklungen verbunden ist. Seine Aufgabe ist es, die Stromrichtung in jeder Ankerwicklung beim Rotieren umzukehren, um sicherzustellen, dass das Drehmoment immer in dieselbe Richtung erzeugt wird.

Pinsel

Bürsten, die üblicherweise aus Kohle oder Graphit bestehen, stellen den elektrischen Kontakt zwischen der stationären Stromversorgung und dem rotierenden Kommutator her.

Feldwicklung oder Permanentmagnete

Diese erzeugen das stationäre Magnetfeld, in dem der Anker rotiert. In einigen Konstruktionen werden Elektromagnete verwendet; in anderen liefern Permanentmagnete das Magnetfeld.

Lager

Stützen die rotierende Welle, reduzieren die Reibung und ermöglichen eine gleichmäßige Bewegung.

Gehäuse (Rahmen)

Die äußere Hülle, die die Komponenten zusammenhält, vor Schäden schützt und möglicherweise auch bei der Wärmeabfuhr hilft.

Schrittweiser Arbeitsprozess

1. Stromversorgungsanbindung
   Gleichstrom wird an die Motorklemmen angelegt, wobei die positiven und negativen Leiter mit den Bürsten verbunden sind.

2. Stromfluss durch den Anker
   Die Bürsten leiten den elektrischen Strom in den Kommutator, der ihn weiter zu den Ankerwicklungen leitet.

3. Magnetfeldwechselwirkung
   Der Strom in den Ankerwicklungen erzeugt sein eigenes Magnetfeld. Dieses wechselwirkt mit dem stationären Magnetfeld der Feldwicklungen oder Permanentmagnete.

4. Kraftentstehung
   Die Wechselwirkung zwischen den beiden Magnetfeldern erzeugt eine Kraft auf die Ankerleiter und verursacht das Drehen des Rotors.

5. Kommutation
   Wenn der Rotor dreht, kehrt der Kommutator die Stromrichtung in den Ankerwicklungen bei jeder halben Drehung um. Dadurch wird sichergestellt, dass das erzeugte Drehmoment in der gleichen Drehrichtung bleibt.

6. Stetige Drehung
   Der Vorgang wiederholt sich kontinuierlich, solange eine Versorgungsspannung angelegt ist, und erzeugt eine gleichmäßige mechanische Rotation.

Rolle der Kommutierung in einem Gleichstrommotor

Kommutierung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Drehbewegung. Wenn der Strom in den Ankerwicklungen zum falschen Zeitpunkt nicht umgekehrt wird, würde das Drehmoment seine Richtung ändern und der Motor würde stoppen oder rucken. Bei gebrushten Motoren erfolgt die mechanische Kommutierung durch die Bürsten und den Kommutator. Bei bürstenlosen Motoren übernehmen elektronische Schaltungen die Kommutierung.

Arten von Gleichstrommotoren und ihre funktionellen Unterschiede

Serienschluss-Gleichstrommotor

• Die Feldwicklung ist in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet.

• Erzeugt hohes Anlaufmoment, wodurch er für Anwendungen wie Kräne und Elektrozüge geeignet ist.

• Die Drehzahl variiert stark bei Laständerungen.

Parallelschluss-Gleichstrommotor

• Die Feldwicklung ist parallel zur Ankerwicklung geschaltet.

• Bietet eine gute Drehzahlregelung unter wechselnden Lasten.

• Kommun in industriellen Maschinen, die einen gleichmäßigen Betrieb erfordern.

Gemmischschluss-Gleichstrommotor

• Kombiniert sowohl Reihen- als auch Nebenschlussfeldwicklungen.

• Bietet ein Gleichgewicht zwischen hohem Anlaufmoment und guter Drehzahlregelung.

Gleichstrommotor mit Permanentmagneten

• Verwendet zur Felderzeugung Permanentmagnete statt Wicklungen.

• Einfacherer Aufbau, hohe Effizienz und kompakte Bauweise.

• Wird in kleinen Haushaltsgeräten, Spielzeug und Automobilanwendungen eingesetzt.

Kolbenlosen Gleichstrommotor (BLDC)

• Verwendet elektronische Kommutierung statt Bürsten.

• Effizienter, längere Lebensdauer und geringerer Wartungsaufwand.

• Wird häufig in Elektrofahrzeugen, Drohnen und Präzisionsinstrumenten verwendet.

So erzeugt ein Gleichstrommotor Drehmoment

Das Drehmoment ist die von dem Motor erzeugte Drehkraft. Bei einem Gleichstrommotor hängt das Drehmoment von folgenden Faktoren ab:

• Die Stärke des Magnetfeldes.

• Die Stromstärke in den Ankerwicklungen.

• Die Anzahl der aktiven Leiter im Magnetfeld.

Die grundlegende Drehmomentgleichung für einen Gleichstrommotor ist:

T = k × Φ × Ia

Wo:

• T = Drehmoment

• k = Motor-Konstante

• φ = Magnetischer Fluss pro Pol

• Ien = Ankerstrom

Sowohl eine Erhöhung des Ankerstroms als auch des magnetischen Flusses erhöht das Drehmoment.

Drehzahlregelung bei einem Gleichstrommotor

Die Drehzahl kann durch Anpassen folgender Größen geregelt werden:

• Ankerspannung : Höhere Spannung erhöht die Drehzahl.

• Feldstrom : Erhöhung des Feldstroms verstärkt das magnetische Feld und verringert die Drehzahl; Verringerung erhöht die Drehzahl.

• PWM Steuerung : Pulsweitenmodulation ermöglicht präzise und effiziente Drehzahlanpassungen.

Richtungssteuerung

Die Drehrichtung eines Gleichstrommotors kann geändert werden, indem die Polarität entweder der Ankerspeisung oder der Feldspeisung geändert wird (nicht beide gleichzeitig). Dies wird häufig in reversierbaren Antrieben wie elektrischen Winschen und industriellen Förderbändern verwendet.

Wirkungsgradfaktoren

Der Wirkungsgrad eines Gleichstrommotors hängt davon ab, Verluste möglichst gering zu halten, darunter:

• Elektrische Verluste in den Wicklungen (Widerstandsverluste).

• Mechanische Verluste in Lagern und Reibung.

• Kernverluste aufgrund von magnetischer Hysterese und Wirbelströmen.

Bürstenlose Motoren bieten in der Regel einen höheren Wirkungsgrad, da sie die Reibung der Bürsten eliminieren und elektrische Überschläge reduzieren.

Vorteile von Gleichstrommotoren im praktischen Einsatz

• Präzise und gleichmäßige Drehzahlregelung.

• Hohe Anfahrtsmomente für schwere Lasten.

• Schnelle Reaktion auf Steuersignale.

• Kompatibilität mit Batterie-Stromquellen.

Begrenzungen zu berücksichtigen

• Wartungsanforderungen bei bürstenbehafteten Ausführungen.

• Kürzere Lebensdauer unter hohen Lasten, falls schlecht gewartet.

• Elektrisches Rauschen von Bürsten und Kommutatoren.

Anwendungen von Gleichstrommotoren

• Transport : Elektroautos, Züge und Straßenbahnen.

• Industriemaschinen : Walzwerke, Förderbänder und Aufzüge.

• Automatisierung : Robotik, CNC-Maschinen und Aktoren.

• Unterhaltungselektronik : Elektrowerkzeuge, Ventilatoren und Haushaltsgeräte.

Die Zukunft der Gleichstrommotor-Technologie

Mit dem Aufstieg erneuerbarer Energiesysteme, elektrischer Mobilität und fortschrittlicher Automatisierung bleibt der Gleichstrommotor relevant. Verbesserungen bei Materialien, elektronischen Steuerungen und Fertigungsmethoden steigern die Leistung, reduzieren den Wartungsaufwand und erweitern ihren Anwendungsbereich. Insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren werden in zukünftigen Konstruktionen dominieren, aufgrund ihrer Effizienz und Zuverlässigkeit.

Fazit

Ein Gleichstrommotor funktioniert, indem er elektrische Energie aus einer Gleichstromquelle durch die Wechselwirkung von magnetischen Feldern und stromführenden Leitern in eine mechanische Rotation umwandelt. Das koordinierte Zusammenspiel seiner Komponenten – Anker, Kommutator, Bürsten und Feldsystem – gewährleistet eine kontinuierliche Drehmomententwicklung. Egal ob in einer Ausführung mit Bürsten oder bürstenlos, die Fähigkeit des Gleichstrommotors, präzise Drehzahlregelung, hohes Drehmoment und Anpassungsfähigkeit zu liefern, macht ihn in vielen Branchen unverzichtbar.

FAQ

Was ist die Hauptfunktion eines Gleichstrommotors?

Seine Hauptfunktion besteht darin, elektrische Gleichstromenergie in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln.

Wie wird die Drehzahl eines Gleichstrommotors gesteuert?

Durch Anpassung der Ankerspannung, des Feldstroms oder durch elektronische PWM-Steuerung.

Warum benötigt ein Gleichstrommotor einen Kommutator?

Der Kommutator kehrt die Stromrichtung in den Ankerwicklungen zum richtigen Zeitpunkt um, um eine kontinuierliche Rotation in dieselbe Richtung aufrechtzuerhalten.

Kann ein Gleichstrommotor ohne Bürsten betrieben werden?

Ja, in bürstenlosen Gleichstrommotoren ersetzen elektronische Schaltungen die Bürsten für die Kommutierung.

Was bestimmt das Drehmoment eines Gleichstrommotors?

Das Drehmoment wird durch den magnetischen Fluss, den Ankerstrom und die Motorkonstruktion bestimmt.