Gleichstrommotor

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Disambig-grau.png Dieser Artikel behandelt den elektrischen Motor oder Generator namens Gleichstrommaschine. Für die spezielle Dampfmaschine namens Gleichstrommaschine siehe Dampfmaschine.

Unter einer Gleichstrommaschine versteht man einen Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird, oder einen Generator, der umgekehrt mechanische Energie in Gleichstrom wandelt. In einigen Anwendungsfällen kann ein Gerät auch beide Funktionen erfüllen.

Sie besteht aus einem unbeweglichen äußeren Teil, dem Stator, und einem drehbar gelagerten inneren Teil, dem Rotor. Bei konventionellen Gleichstrommaschinen besteht der Stator aus einem Elektromagneten oder bei kleineren Maschinen einem Permanentmagneten. Der Rotor wird bei konventionellen Maschinen Anker genannt, es handelt sich um einen Elektromagneten.

Zu den Vorteilen der Gleichstrommaschinen gehören gutes Anlaufverhalten und gute Regelbarkeit.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer Gleichstrommaschine

Die Wicklung des Ankers wird über den Kommutator angeschlossen. Die Kontakte ("Bürsten") des Kommutators sind so aufgebaut, dass sie während der Drehung ständig die Polung der Ankerwicklung wechseln. Sie sind aus einem Material gefertigt, welches gut elektrisch leitet und sich im Betrieb leicht abreibt und sich somit selber "schmiert" (meistens enthalten sie Kohle). Somit ist beim Gleichstrommotor die Drehbewegung gewährleistet. Beim Generator wird durch die Funktion des Kommutators aus dem Wechselstrom des Rotors Gleichstrom.

Nach der Art der Schaltung von Rotor und Statorwicklung unterscheidet man:

Reihenschlussmaschine

Eine Abwandlung des Gleichstrommotors zur Nutzung mit Wechselstrom, genannt Reihenschlussmaschine

Hier sind Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschaltet. Dadurch wechseln Erregerfeld und Ankerstrom ihre Richtung synchron, so dass eine Speisung mit Wechselstrom möglich wird. Solche Maschinen wurden als Bahnantriebe in Wechselstromnetzen eingesetzt. Unter dem Begriff Universalmaschine oder Allstrommotor werden die Antriebe von Haushaltsmaschinen, Bohrmaschinen etc. zusammengefasst.

Nebenschlussmaschine

Nebenschlussmaschine

Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallel geschaltet. Ein Wechselspannungsbetrieb ist nicht üblich, da hierfür Erreger- und Ankerstrom in Phase sein müssten, d.h. Anker- und Erregerwicklung gleiche Induktivität (und Widerstand) haben müssen. Oft wird nicht zwischen Nebenschluss- und fremderregter Maschine unterschieden und dabei übersehen, dass eine Verringerung der Ankerspannung zu einer Feldschwächung führt.

Verbundmaschine

Fremderregte Maschine: Hier werden Anker- und Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist. Eine permanent erregte Maschine ist hier einzuordnen. Elektrisch erregte Maschinen können gut im Feldschwächebetrieb gefahren werden.

Glockenanker-Maschinen

Vorderansicht eines Rotors einer Glockenanker-Maschine

Kleine Maschinen bis etwa 100 Watt mit Permanentmagnet können auch mit einem hohlen Rotor gebaut werden. Der Rotor ist eisenlos selbsttragend gewickelt und kunstharzgetränkt. So wird das Trägheitsmoment des Rotors verringert und der Motor kann schneller beschleunigen.
Der Stator, ein Permanentmagnet, liegt in diesem Fall innerhalb des Rotors. Das außenliegende Motorgehäuse aus Eisen bildet den notwendigen Kurzschluss für den magnetischen Fluss des Stators. Der elektrische Aufbau entspricht der ersten Illustration.
Durch den eisenlosen Aufbau des Rotors entfällt im stromlosen Zustand das Rastmoment des Rotors, er lässt sich vollkommmen frei drehen.

Bürstenlose Gleichstrom-Maschinen

Ein Nachteil der konventionellen Gleichstrommaschinen sind die Funken, welche bei den Bürsten entstehen ("Bürstenfeuer"). Das Bürstenfeuer ist die Hauptursache für hochfrequente Störungen, die der Motor im Betrieb in das Leitungsnetz zurückspeist und die andere elektrische Verbraucher stören könnten. Dies begrenzt auch die maximale Drehgeschwindigkeit, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und verschleißen. Dies umgeht die bürstenlose Gleichstrommaschine, engl. brushless direct current, BLDC. Der Rotor besteht hier aus einem Permanentmagneten, der Stator besteht aus mehreren Elektromagneten. Die Lage des Rotors wird ständig gemessen und die Elektromagneten im Stator entsprechend kommutiert. Man spricht daher auch von EC-Motoren, engl. electronical commutation. Genaugenommen handelt es sich dabei um Synchronmaschinen mit einer eigenen vereinfachten Umrichterelektronik. Solche Maschinen sind wegen ihrer Elektronik relativ teuer und werden meist nur für kleine Leistungen eingesetzt. Häufig findet man sie im Computerbereich, dort treiben sie Lüfter und verschiedene Typen von Laufwerken an.

Sie sind im RC-Flug-Bereich schon Standard und im RC-Car-Bereich ab diesem Jahr auf der deutschen RC-Meisterschaft erlaubt.

Ankerrückwirkung

Da der Anker stromdurchflossen ist, bildet sich auch um diesen ein magnetisches Feld. Dieses verstärkt das Hauptfeld auf der einen Seite des Leiters und schwächt es auf der anderen. Insgesamt führt dies dazu, dass sich der neutrale Bereich, in dem die Polung des Stromes umgeschaltet werden muss, etwas verspätet, d.h. in Drehrichtung verschiebt. Da sich jedoch der Kommutator nicht anpasst (also stets senkrecht zu den Hauptfeldlinien umschaltet und nicht senkrecht zu den "effektiven" Feldlinien), liegt zu dem Zeitpunkt des Umschaltens noch eine Induktionsspannung an den Kohlebürsten an und es kommt zum Funkenschlag, dem Bürstenfeuer.


Gegenspannung

Der Rotor dreht sich im Motor innerhalb des Statorfeldes. Nach dem Generatorprinzip wird so in die Spule eine Spannung induziert. Die induzierte Spannung wirkt der angelegten Betriebsspannung und somit auch dem Rotorstrom entgegen, daher der Name Gegenspannung.

Rotorstrom=(Betriebsspannung-Gegenspannung)/Rotorwiderstand

Die Gegenspannung ist abhängig von Drehzahl des Rotors. Bei Motorstillstand gibt es also keine Gegenspannung. Deshalb liegt an der Rotorspule die volle Betriebsspannung. Der Widerstand der Rotorspulen ist sehr klein und somit der Strom im Moment des Einschaltens sehr groß, ohne Begrenzung des Anlaufstromes würde also die Rotorspule zerstört werden.

Drehzahl = Null; Gegenspannung = Null; Betriebsspannung = Spannung an der Rotorspule; Strom der Rotorspule sehr hoch.

Der Anlaufwiderstand wird in Reihe zur Rotorspule geschaltet. Nach dem Hochlaufen wird dann der Anlaufwiderstand bis auf Null reduziert.

Literatur

Hans Otto Seinsch;Grundlagen elektrische Maschinen und Antriebe; B. G. Teubner Stuttgart 1999; ISBN 3-519-06164-3

Weblinks

Hinweis

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Gleichstrommaschine aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.