Gleichstrommotoren Grundlagen

Der Gleichstrommotor ist einfach in der Drehzahl und Drehmoment verstellbar und wird deshalb in allen Größenordnungen gebaut. Einsatz finden diese Motoren in der Feinwerktechnik oder in Großmaschinen, die eine Spannung von 1500 V und Leistungen von über 10.000 kW aufnehmen können.

Dauermagnet-erregte Motoren für kleinere Leistungen finden sich vor allem in der Kfz-Technik als Scheibenwischer-, Gebläse- oder Stellmotoren. In der Industrie sieht man diese Motoren vor allem in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen oder Walzstraßen. Weiterhin finden sie als Antriebe Einsatz in Nahverkehrsbahnen.

Funktionsweise Gleichstrommotor

Im folgendem Video wird die Funktionsweise eines Gleichstrom-Stromwendermotors erklärt. Aus dem Inhalt:

• Wie ein Gleichstrommotor ein Drehmoment bilden kann
• Aufgabe des Stromwenders bzw. Kommutators
• Flemings-Linke-Hand-Regel
• Drehrichtungsumkehr

• 0:00 Einführung Gleichstrommotoren
• 0:29 Wie Drehmoment erzeugt werden kann
• 1:50 Permanentmagnet-Gleichstrommotor
• 3:00 Steuern mittels H-Brücke
• 4:46 Reihenschluss-Motor
• 7:36 Nebenschluss-Motor
• 9:26 Sonstige (Compound-Gleichmotor, Universalmotor)

Funktionsprinzip des Gleichstrommotors näher betrachtet:

Funktionsprinzip Gleichstrommotor

Ein Drehmoment wird aufgebaut über das elektrodynamische Gesetz. Danach wirkt auf eine stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld die Kraft:

           F = I * l * B

Außerdem können wir in der obigen Abbildung erkennen, dass ein stromdurchflossener Leiter von einem kreisförmigen Magnetfeld umgeben ist. Eine Kraft auf die Leiterschleife entsteht durch Überlagerung des äußeren Magnetfeldes (erzeugt durch den Feldmagneten) und des inneren Magnetfeldes (erzeugt durch die Leiterschleife).

! Wie muss ein Motor mechanisch dimensioniert werden, damit ein großes Drehmoment aufgebaut werden kann?

Ersatzschaltbild Permanenterregter Gleichstrommotor

Ankerwicklung als reale Spule

Die Ankerwicklung eines permanenterregten Gleichstrommotors entspricht einer realen Spule. Die ohmschen Verluste aufgrund von Kontakten und Drahtwiderstand der Wicklung werden mit dem Widerstand R beschrieben. Zudem verhalten sich Motorwicklungen wie eine Induktivitaet. Auch wenn die Ankerwicklung wie hier an Gleichspannung betrieben wird, so stellt diese ein Energiespecher dar. Aus diesem Grund ist ein abruptes Ein- und Ausschalten bei groesseren Motoren zu vermeiden bzw. eventuell Freilaufdioden parallel zu diesem Gleichstrommotor zu schalten. 

Generatoreffekt

Ein sich drehender Motor wirkt immer auch als Generator und erzeugt eine Gegenspannung U_EMK​ (elektromotorische Kraft). In der Ersatzschaltung wird diese Spannung durch eine Spannungsquelle dargestellt, die der angelegten Motorspannung U_Bat​ entgegenwirkt.

Die Gegenspannung ist abhängig von der Drehzahl des Motors - je höher die Drehzahl, desto größer die Gegenspannung. Dies ist auch der Grund, wieso der Einschaltstrom sehr viel groesser ist als der Nennstrom bei Nenndrehzahl bzw. der Motorstrom bei sinkender Drehzahl durch Belastung zunimmt.

Ersatzschaltbild Permanenterregter Gleichstrommotor