Gleichstrom-Elektromotoren: Funktionsweise, Typen und Anwendungen

Was für ein Gleichstrom-Elektromotor Ist

Ein Gleichstrom-Elektromotor (DC) ist eine Maschine, die elektrische Gleichstromenergie in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Es basiert auf dem Prinzip, dass ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft erfährt – und durch die richtige Anordnung von Leitern, Magneten und einem Schaltmechanismus kann diese Kraft kontinuierlich in einer Drehrichtung aufrechterhalten werden, um an einer Abtriebswelle ein nützliches Drehmoment und eine nützliche Drehzahl zu erzeugen.

Gleichstrommotoren waren die ersten Elektromotoren, die für den praktischen industriellen Einsatz entwickelt wurden. Sie wurden in den 1830er Jahren von Erfindern wie William Sturgeon und Thomas Davenport entwickelt und wurden im 19. und frühen 20. Jahrhundert zum vorherrschenden Motortyp, bevor die Wechselstrommotorentechnologie ausgereift war. Heute, Gleichstrommotoren bleiben in Automobilsystemen, tragbaren Elektrowerkzeugen, batteriebetriebenen Geräten, Elektrofahrzeugen und präziser Bewegungssteuerung unverzichtbar — Anwendungen, bei denen steuerbare Drehzahl und Drehmoment von einer Gleichstromquelle primäre Anforderungen sind.

So funktioniert ein Gleichstrommotor: Der bürstenbehaftete Gleichstrommotor erklärt

Der klassische Gleichstrommotor – der Bürstentyp – veranschaulicht das Funktionsprinzip am deutlichsten. Seine Hauptkomponenten sind der Anker (Rotor), das Feldsystem (Stator), der Kommutator und die Bürsten.

Die Anker ist das rotierende Bauteil, bestehend aus einem laminierten Eisenkern, umwickelt mit Kupferleitern. Wenn innerhalb des vom Stator bereitgestellten Magnetfelds Gleichstrom durch diese Leiter fließt, erfährt jeder Leiter eine Lorentzkraft. Die Leiter sind so angeordnet, dass alle Kräfte tangential in die gleiche Drehrichtung wirken und ein Nettodrehmoment erzeugen, das den Anker dreht.

Die fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The Kommutator löst dieses Problem: Es handelt sich um einen segmentierten Kupferring, der auf der Ankerwelle montiert ist, wobei jedes Segment mit einer anderen Ankerwicklung verbunden ist. Während sich der Anker dreht, passieren die Kommutatorsegmente den stationären Kohlenstoff Bürsten die den elektrischen Kontakt zum externen Stromkreis aufrechterhalten. Die Kommutatorgeometrie stellt sicher, dass der Strom immer in der richtigen Richtung durch die Leiter fließt, die sich in der optimalen Position zur Drehmomenterzeugung befinden – Dadurch wird der Strom in jeder Wicklung genau im richtigen Moment effektiv umgekehrt um eine kontinuierliche unidirektionale Rotation aufrechtzuerhalten.

Arten von Gleichstrommotoren und ihre Eigenschaften

Serieller Gleichstrommotor

Bei einem Reihenmotor sind die Feldwicklung und die Ankerwicklung in Reihe geschaltet – durch beide fließt der gleiche Strom. Dadurch entsteht ein sehr hohes Anlaufdrehmoment, da bei niedriger Drehzahl ein hoher Strom durch das Feld fließt, wodurch ein starkes Magnetfeld und damit eine hohe Kraft auf die Ankerleiter entsteht. Allerdings steigt die Geschwindigkeit stark an, wenn die Last abnimmt, und Ein Reihengleichstrommotor, der ohne Last läuft, kann gefährlich hohe Drehzahlen erreichen (ein Zustand, der „Weglaufen“ genannt wird). Reihenmotoren werden in Anwendungen eingesetzt, die ein hohes Anlaufdrehmoment erfordern: elektrische Traktion (Züge, Straßenbahnen), Kräne, Hebezeuge und Anlasser in Verbrennungsmotoren.

Shunt-Gleichstrommotor

Bei einem Nebenschlussmotor ist die Feldwicklung parallel (Shunt) zum Anker über die Versorgungsspannung geschaltet. Da die Feldspannung konstant ist, ist der Feldfluss unabhängig vom Laststrom im Wesentlichen konstant. Dadurch erhält der Nebenschlussmotor sein charakteristisches Merkmal: relativ konstante Geschwindigkeit über einen weiten Lastbereich . Die Drehzahlregelung – die prozentuale Drehzahländerung von Leerlauf zu Volllast – beträgt bei einem gut konstruierten Nebenschlussmotor typischerweise 5–15 %. Nebenschlussmotoren eignen sich für Werkzeugmaschinen, Drehmaschinen, Fräsmaschinen und Lüfter, bei denen eine konstante Drehzahl bei wechselnder Last erforderlich ist.

Zusammengesetzter Gleichstrommotor

Ein Verbundmotor kombiniert Reihen- und Nebenschlussfeldwicklungen und vereint so das hohe Anlaufdrehmoment der Reihenkonfiguration mit der Drehzahlstabilität des Nebenschlusses. Die kumulative Compoundierung (Feldunterstützung) erzeugt ein hohes Anlaufdrehmoment bei angemessener Drehzahlregelung. Differential-Compounding (entgegengesetzte Felder) ergibt sehr flache Geschwindigkeitseigenschaften, wird jedoch aufgrund von Instabilitätsrisiken selten verwendet. Verbundmotoren dienen Pressen, Stanzen, Aufzügen und anderen Lasten, die sowohl ein gutes Anlaufdrehmoment als auch eine stabile Laufgeschwindigkeit erfordern.

Permanentmagnet-Gleichstrommotor (PMDC)

PMDC-Motoren ersetzen das gewickelte Feld durch Permanentmagnete, wodurch Kupferverluste in der Feldwicklung vermieden und die Konstruktion vereinfacht werden. Sie bieten lineare Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie — Die Drehzahl sinkt proportional mit zunehmendem Drehmoment, wodurch sie sehr vorhersehbar und leicht zu steuern sind. Permanentmagnetmotoren sind der vorherrschende Typ in Anwendungen mit kleiner bis mittlerer Leistung: Kfz-Hilfsantriebe (Fensterheber, Scheibenwischer, Sitzverstellung), Elektrowerkzeuge, Drucker und Kleingeräte. Ihre größte Einschränkung besteht darin, dass sich die Permanentmagnete bei hohen Temperaturen oder starken Überlastströmen entmagnetisieren können.

Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)

Die brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. Ohne Bürsten entsteht an der Kommutierungsschnittstelle kein mechanischer Verschleiß Dies verleiht BLDC-Motoren eine deutlich längere Lebensdauer, einen höheren Wirkungsgrad (typischerweise 85–95 %), geringere elektrische Geräusche und die Möglichkeit, mit viel höheren Drehzahlen als gleichwertige Bürstenmotoren zu arbeiten. BLDC-Motoren dominieren Elektrofahrzeuge, Drohnen, HLK-Geräte, industrielle Servoantriebe und kabellose Elektrowerkzeuge.

Bürsten- und bürstenlose Gleichstrommotoren: Hauptunterschiede

Drehzahlregelung in Gleichstrommotoren

Eine der wertvollsten Eigenschaften von Gleichstrommotoren ist die einfache Steuerung ihrer Drehzahl – eine Eigenschaft, die sie zur bevorzugten Wahl für Industrieantriebe mit variabler Drehzahl machte, lange bevor es moderne Wechselstrom-Wechselrichtertechnologie gab. Die Drehzahl des Gleichstrommotors wird durch die Gegen-EMK-Gleichung bestimmt:

Geschwindigkeit ∝ (Versorgungsspannung − Spannungsabfall am Ankerwiderstand) ÷ Magnetischer Fluss

Diese Gleichung zeigt die beiden praktischen Methoden zur Geschwindigkeitsregelung. Ankerspannungsregelung – Reduzieren der an den Anker angelegten Spannung – verringert die Drehzahl proportional und behält gleichzeitig den vollen Feldfluss bei, wodurch das volle Drehmoment bei reduzierter Drehzahl erhalten bleibt. Dies ist die Standardmethode für Geschwindigkeiten unterhalb der Grundgeschwindigkeit (Nenngeschwindigkeit). Feldschwächung – Reduzierung des Feldstroms und damit des Flusses – erhöht die Geschwindigkeit über die Grundgeschwindigkeit, aber die Drehmomentkapazität verringert sich proportional, da das Magnetfeld schwächer ist. Zusammen bieten diese beiden Methoden Gleichstrommotoren einen weiten regelbaren Drehzahlbereich: typischerweise 10:1 oder höher bei industriellen Antriebsanwendungen im Vergleich zu 2:1 oder weniger bei ungeregelten Wechselstrom-Induktionsmotoren ohne Frequenzumrichter.

In der modernen Praxis wird die Geschwindigkeitsregelung elektronisch umgesetzt. PWM-Controller (Pulsweitenmodulation) variieren die effektive Spannung am Anker, indem sie die Versorgung mit hoher Frequenz schnell ein- und ausschalten – das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit (Arbeitszyklus) bestimmt die durchschnittliche Spannung und damit die Geschwindigkeit. Die PWM-Steuerung ist hocheffizient, da die Schalttransistoren im Vergleich zu ohmschen Spannungsabfallmethoden nur minimale Energie verbrauchen, und sie ermöglicht eine präzise Drehzahlregelung mit einfacher Rückmeldung von einem Drehzahlmesser oder Encoder an der Motorwelle.

Wo DC-Elektromotoren verwendet werden

Gleichstrommotoren kommen in einem bemerkenswert breiten Anwendungsspektrum vor, von Präzisionsinstrumenten im Milliwattbereich bis hin zu Industrieantrieben im Megawattbereich:

• Automobil: Ein moderner Pkw enthält dazwischen 30 und 80 kleine Gleichstrommotoren Fahrfenster, Spiegel, Sitze, Scheibenwischer, Kühlventilatoren, Kraftstoffpumpen, ABS-Aktuatoren und HVAC-Gebläse. Der Anlassermotor – ein Gleichstrommotor mit hohem Drehmoment – ​​dreht den Motor bei jedem Startzyklus an.
• Elektrofahrzeuge: BLDC- und Permanentmagnet-Synchronmotoren (eine Variante von BLDC) treiben den Traktionsantrieb batterieelektrischer Fahrzeuge an. Der Heckmotor des Model 3 von Tesla ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit einer Leistung von über 250 kW in einem kompakten, leichten Paket.
• Elektrowerkzeuge: Akku-Bohrschrauber, -Schrauber, Kreissägen und Winkelschleifer verwenden entweder bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (Economy-Reihe) oder BLDC-Motoren (Professional-Reihe), die von Lithium-Ionen-Akkus angetrieben werden.
• Industrielle Automatisierung und Robotik: Servoantriebe in CNC-Werkzeugmaschinen, Roboterarmen und automatisierten Montagegeräten verwenden BLDC- oder bürstenlose Permanentmagnetmotoren mit geschlossener Positions- und Geschwindigkeitsregelung für präzise, wiederholbare Bewegungen.
• Unterhaltungselektronik: Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke, Kühlventilatoren in Computern und Projektoren sowie die Vibrationsmotoren in Smartphones sind allesamt Miniatur-Gleichstrommotoren – oft BLDC –, die kontinuierlich oder intermittierend in versiegelten Geräten laufen.
• Eisenbahnen und Transit: Fahrmotoren der Gleichstromserie trieben über ein Jahrhundert lang U-Bahnnetze an. Viele U-Bahn-Systeme auf der ganzen Welt verfügen immer noch über eine Gleichstrom-Traktionsinfrastruktur, obwohl moderne Schienenfahrzeuge zunehmend Wechselstrommotoren verwenden, die von Bordwechselrichtern gespeist werden.