Freitag, 6. Februar 2015
Freitag, 6. Februar 2015
Der Gleichstrommotor (Gleichstrom, 1-phasig)
Das Prinzip des Gleichstrommotors ist relativ einfach, die mechanische Konstruktion dafür recht aufwändig. Die Spule des Ankers (oft als Rotor oder Läufer bezeichnet) wird vom Magnetfeld des Ständers (Stator), dem Erregerfeld, durchdrungen. Der Ankerstrom hat ein Anker-Magnetfeld zur Folge, das sich nach dem Ständerfeld ausrichtet. Dabei dreht sich der Anker. Stehen sich die ungleichnamigen Pole von Erreger- und Ankerfeld gegenüber, dann wird umgepolt, damit die Drehbewegung aufrechterhalten bleibt. Die Umpolung (Kommutierung) erfolgt auf mechanische Art. Dazu sind auf der Achse Schaltelemente (Kommutator mit Stromzuführungsbürsten) angebracht, welche bei der Drehung die Windungen umpolen, die gerade senkrecht zum Erregerfeld stehen.
Der mechanische Aufbau
Es gibt 2 Kernbauteile für den magnetischen Fluss. Zum einen ein raumfester Magnet (Stator) und ein sich drehender Magnet (Rotor oder Anker). Der Stator besteht aus einem Dauermagnet, also einem ferromagnetischen Werkstoff, welcher einmal bei der Montage einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, dass sich die magnetischen Partikel entsprechend ausrichten. Diese Ausrichtung bleibt dann für sehr lange Zeit erhalten und wir reden von einem Dauermagneten.
Der Stator ist aus mindestens 2 Dauermagneten aufgebaut, welche radial auf den Läufer ausgerichtet sind und einen 180°-Winkel bilden. Der eine hat den Südpol innen, der andere außen. Ein Blechpaket schließt das äußere Magnetfeld und schließt das magnetische Feld zwischen den beiden nach außen gewandten Magnetpolen. Der Grundaufbau ähnelt netfernt an ein Hufeisen.
Innen ist der drehbar gelagerte Läufer. Er sieht bei 2 Dauermagneten wir eine Hantel aus. Das Blechpaket besteht aus vielen dünnen Blechen, die miteinander verstemmt oder gestanzt sind. Um die beiden Anker ist eine isolierter Draht gewickelt, welcher bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt und in das Blechpaket einprägt.
Die Umpolung (Kommutierung)
Da sich der Läufer dreht, muss eine Drehdurchführung für den elektrischen Strom geschaffen werden. Dies wird meist mit Kohlebürsten realisiert, welche auf einem segmentierten Kupferblech reiben. Da Kohle (Ferrit) elektrisch leitend ist, wird somit der Gleichstrom von außen an den drehenden Läufer übertragen und fließt damit durch die Läuferspulen durch.
Die Drehdurchführung (Kommutator) ist segmentiert, da ansonsten die Stromrichtung im Läufer immer gleich wäre. Im Stator würde sich ein festes magnetisches Feld aufbauen und der Läufer einmal so orientieren, dass es mit dem Magnetfeld des Stators ausgerichtet ist. Um eine Drehbewegung zu bekommen, bedarf es also eine drehwinkelabhängigen Umpolung des Läufermagnetfelds, welches durch die Segmentierung erreicht wird. Damit wird der Läufer immer wieder umgepolt und der Motor dreht sich konstant weiter.
Die Varianten
Bis jetzt kennen wir nur die einfachste Bauform des Gleichstrommotors. Dies ist die oben beschriebene 2-polige Bauweise. Um den Bauraum noch besser zu nutzen wird oft ein 4-poliger Aufbau verwendet. Das bedeutet, dass beim 2-poligen Motor ein Polpaar im Stator eingebaut ist, beim 4-poligen zwei Polpaare. Es gibt aber auch 6-polige Motoren.
Der Läufer dagegen muss nicht die gleiche Anzahl Pole haben. Oft wird bei 2-poligem Permanentmagnet ein 3-Pol-Anker verwendet, oder ein 5-poliger. Damit wird ein Kompromiss eingegangen: zum einen wird zwar etwas magnetischer Fluss hinsichtlich der Erzeugung von Drehmoment verschenkt, dafür kann aber ein besseres Anlaufverhalten und eine Verringerung von Rastmomenten erreicht werden.
Der Gleichstrommotor in der Praxis
Gleichstrommotoren benötigen zum Betrieb eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie oder ein Gleichspannungsnetzteil. Er hat damit nur 2 Anschlussklemmen für + und -. Die Drehrichtung wird über die Polung bestimmt. Wie bei allen Elektromotoren ist das Drehmoment proportional dem Strom der durch die Wicklungen läuft.
Bei gegebener Last kann die Drehzahl über die Höhe der angelegten Spannung bestimmt werden.
Der Einsatzbereich
Der Gleichstrommotor ist der klassische regelbare Antrieb. Er wird als Hauptantrieb bis zu einigen 100 kW Leistung, als Universalantrieb und als Servoantrieb bis hinunter in den Wattbereich eingesetzt. Er wird in Spielzeugeisenbahnen, in akkubetriebenen Elektrowerkzeugen, in Fensterhebern und Sitzverstellern in PKW als Stellmotoren eingesetzt.