Wie funktioniert ein Gleichstrommotor? Gleichstrommotoren verstehen

Gleichstrommotoren gehören zu den am weitesten verbreiteten Elektromotoren, vor allem aufgrund ihrer einfachen Handhabung und Vielseitigkeit. Von kleinen Spielzeugen bis hin zu großen Industrieanwendungen spielen Gleichstrommotoren eine wichtige Rolle beim Antrieb von Maschinen und Geräten. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Gleichstrommotoren funktionieren, welche verschiedenen Typen es gibt, wie sie gesteuert werden und wie Sie den richtigen Motor für Ihre Anforderungen auswählen.

Funktionsprinzipien von Gleichstrommotoren

Das Grundprinzip eines Gleichstrommotors ist einfach: Er wandelt elektrische Energie durch die Wechselwirkung eines Magnetfelds und eines stromdurchflossenen Leiters in mechanische Bewegung um. Zu den Hauptkomponenten eines Gleichstrommotors gehören Stator, Rotor (Anker), Kommutator und Bürsten. So funktioniert er:

Wechselwirkung mit magnetischen Feldern: Ein Gleichstrommotor verfügt über ein Magnetfeld, das entweder durch Permanentmagnete oder Elektromagnete im Stator erzeugt wird. Der Rotor (der rotierende Teil des Motors) befindet sich innerhalb dieses Magnetfelds.

Stromfluss: Fließt elektrischer Strom durch die Rotorwicklungen, erzeugt dieser ein eigenes Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld des Stators interagiert. Nach dem Gesetz des Elektromagnetismus ziehen sich entgegengesetzte Pole an und gleiche Pole stoßen sich ab. Diese Wechselwirkung bewirkt die Rotation des Rotors.

Kommutator: Der Kommutator ist eine wichtige Komponente in Gleichstrommotoren. Er sorgt dafür, dass sich die Richtung des durch die Rotorwicklungen fließenden Stroms jede halbe Umdrehung ändert. Dadurch dreht sich der Rotor in eine Richtung.

Bürsten: Bürsten bestehen aus leitfähigen Materialien (meist Kohlenstoff), die während der Rotation den elektrischen Kontakt mit dem Kommutator aufrechterhalten. Sie versorgen die Rotorwicklungen mit dem nötigen Strom.

Dieser kontinuierliche Prozess der Drehmomenterzeugung durch die Wechselwirkung magnetischer Felder ermöglicht es dem Motor, sich zu drehen und mechanische Arbeit zu verrichten.

Arten von Gleichstrommotoren

Es gibt verschiedene Arten von Gleichstrommotoren mit jeweils spezifischen Vorteilen und Anwendungsmöglichkeiten. Sie lassen sich grob in Permanentmagnet-Gleichstrommotoren und Wicklungsfeld-Gleichstrommotoren unterteilen. Lassen Sie uns jeden Typ im Detail untersuchen.

Permanentmagnet-Gleichstrommotoren

Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (PMDC) sind die am weitesten verbreitete Art von Gleichstrommotoren und zeichnen sich durch ihre Einfachheit und Effizienz aus. Wie der Name schon sagt, verwenden diese Motoren Permanentmagnete im Stator, um das Magnetfeld zu erzeugen. Es gibt zwei Haupttypen von Permanentmagnet-Gleichstrommotoren: bürstenlose Gleichstrommotoren und bürstenbehaftete Permanentmagnet-Gleichstrommotoren.

Bürstenlose Gleichstrommotoren

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) machen Bürsten und Kommutator überflüssig, da sie den Strom in den Rotorwicklungen über elektronische Steuerungen schalten. Diese Motoren verwenden Permanentmagnete im Stator, und Sensoren erfassen die Rotorposition, um den Stromfluss anzupassen. Dadurch sind bürstenlose Motoren effizienter, haben eine längere Lebensdauer und sind wartungsärmer als Bürstenmotoren.

Anwendungen: Bürstenlose Gleichstrommotoren werden häufig in hochpräzisen Anwendungen wie Computerlüftern, Drohnen und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie eignen sich ideal für Umgebungen, in denen geringer Wartungsaufwand und hohe Effizienz entscheidend sind.

Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten und Bürsten

Bürstenbehaftete PMDC-Motoren sind im Vergleich zu bürstenlosen Motoren einfacher und günstiger. Sie verwenden Permanentmagnete im Stator und einen Kommutator zur Stromumkehr. Bürsten stellen die physische Verbindung zwischen dem rotierenden Kommutator und der externen Stromversorgung her. Diese Motoren sind zuverlässig und werden häufig in kostengünstigen Anwendungen eingesetzt, erfordern jedoch aufgrund des Bürstenverschleißes tendenziell mehr Wartung.

Anwendungen: Bürstenbehaftete PMDC-Motoren finden sich in Spielzeugen, Haushaltsgeräten und kleinen Maschinen, die kostengünstige Lösungen für Drehbewegungen benötigen.

Wicklungsfeld-Gleichstrommotoren

Wicklungsfeld-Gleichstrommotoren verwenden Elektromagnete (Feldwicklungen) im Stator anstelle von Permanentmagneten. Diese Motoren sind flexibler als Permanentmagnetmotoren, da die magnetische Feldstärke durch die Anpassung des Stromflusses durch die Feldwicklungen gesteuert werden kann. Wicklungsfeld-Gleichstrommotoren gibt es in drei Haupttypen: Reihenschluss-Gleichstrommotoren, Nebenschluss-Gleichstrommotoren und Verbund-Gleichstrommotoren.

Gleichstrommotoren der Serie

Bei Reihenschluss-Gleichstrommotoren ist die Feldwicklung in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet, sodass sowohl durch die Feldwicklung als auch durch den Anker der gleiche Strom fließt. Dadurch ist die Motordrehzahl lastabhängig; bei geringer Last beschleunigt der Motor, bei hoher Last verlangsamt er sich. Reihenschlussmotoren bieten ein hohes Anlaufdrehmoment und eignen sich daher ideal für Anwendungen wie elektrische Züge und Kräne, bei denen ein hohes Drehmoment zum Bewegen der Last erforderlich ist.

Anwendungen: Reihengleichstrommotoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die ein hohes Drehmoment erfordern, wie beispielsweise Winden, elektrische Aufzüge und Anlassermotoren in Fahrzeugen.

Shunt-Gleichstrommotoren

Bei Nebenschluss-Gleichstrommotoren sind die Feldwicklungen parallel (Nebenschluss) zur Ankerwicklung geschaltet. Diese Konstruktion ermöglicht der Feldwicklung einen relativ konstanten Strom, wodurch die Motordrehzahl unabhängig von der Last stabiler wird. Nebenschluss-Gleichstrommotoren sind bekannt für ihre Fähigkeit, über einen weiten Lastbereich eine konstante Drehzahl zu halten.

Anwendungen: Nebenschlussmotoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Geschwindigkeitsregelung wichtig ist, wie z. B. Drehmaschinen, Förderbänder und Ventilatoren.

Compound-Gleichstrommotoren    

Verbund-Gleichstrommotoren vereinen die Eigenschaften von Reihenschluss- und Nebenschlussmotoren. Sie verfügen über zwei Feldwicklungen: eine in Reihe und die andere parallel zum Anker. Diese Kombination ermöglicht Verbundmotoren sowohl ein hohes Anlaufdrehmoment als auch eine stabile Drehzahlregelung bei unterschiedlichen Lasten. Sie sind vielseitig einsetzbar und werden häufig in Branchen eingesetzt, die sowohl ein hohes Drehmoment als auch eine konstante Drehzahl erfordern.

Anwendungen: Verbundmotoren werden typischerweise in Anwendungen wie Aufzügen, Walzwerken und Werkzeugmaschinen eingesetzt.

Gleichstrommotorsteuerungen

Die Leistung und Funktionalität eines Gleichstrommotors kann auf verschiedene Weise gesteuert werden. Zu den gängigsten Steuerungsarten für Gleichstrommotoren zählen:

Drehzahlregelung: Die Drehzahl eines Gleichstrommotors kann durch Änderung der dem Motor zugeführten Spannung oder Stromstärke geregelt werden. Bei einem PMDC-Motor erfolgt die Drehzahlregelung durch Anpassung der Versorgungsspannung. Bei einem Wicklungsfeldmotor erfolgt die Drehzahlregelung durch Anpassung des Stroms in der Feldwicklung.

Richtungssteuerung: Die Drehrichtung eines Gleichstrommotors kann durch Ändern der Polarität der am Motor angelegten Spannung umgekehrt werden. Dies wird häufig durch die Verwendung eines Schalters oder Relais zur Umkehrung der Stromrichtung erreicht.

Drehmomentregelung: Das Drehmoment kann durch die Steuerung des durch den Motor fließenden Stroms eingestellt werden. Höherer Strom führt zu einem höheren Drehmoment.

Elektronische Steuerungen: Fortschrittliche elektronische Steuerungen steuern Motorfunktionen wie Geschwindigkeit, Richtung und Drehmoment. Diese Steuerungen nutzen Sensoren, um Feedback zu liefern und die Motorleistung für bestimmte Aufgaben zu optimieren.

Auswahl eines Gleichstrommotors

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Gleichstrommotors für Ihre Anwendung die folgenden Faktoren:

Leistungsbedarf: Bestimmen Sie den Leistungsbedarf Ihres Systems. Für Anwendungen mit hohem Drehmoment oder hoher Leistung, wie z. B. Industriemaschinen, sind größere Motoren erforderlich.

Geschwindigkeitsregelung: Wenn eine präzise Geschwindigkeitsregelung wichtig ist, suchen Sie nach Motoren mit einstellbarer Geschwindigkeitsfunktion, wie z. B. Nebenschluss- oder Verbund-Gleichstrommotoren.

Umgebung: Berücksichtigen Sie die Betriebsumgebung des Motors. Beispielsweise benötigen Motoren, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, möglicherweise zusätzlichen Schutz vor Staub oder Feuchtigkeit.

Effizienz: Bürstenlose Gleichstrommotoren sind tendenziell effizienter als Bürstenmotoren, was den Energieverbrauch und die Wartungskosten senken kann.

Kosten: Budgetbeschränkungen beeinflussen Ihre Wahl. Bürstenlose Motoren sind tendenziell teurer, während Bürstenmotoren und Permanentmagnetmotoren für einfachere Anwendungen eine günstigere Lösung darstellen können.

Zusammenfassung

Gleichstrommotoren sind unglaublich vielseitig und werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, von der Robotik über die Automobilindustrie bis hin zur Fertigung. Wenn Sie die verschiedenen Gleichstrommotortypen, ihre Funktionsprinzipien und die bei der Motorauswahl zu berücksichtigenden Faktoren kennen, können Sie eine fundierte Entscheidung für Ihre Anwendung treffen. Ob hohes Drehmoment, effiziente Drehzahlregelung oder langlebige Leistung – wir haben den passenden Gleichstrommotor für Ihre Anforderungen. Indem Sie die Eigenschaften der einzelnen Motortypen berücksichtigen, gewährleisten Sie optimale Leistung und Effizienz Ihrer Systeme.