Funktionsprinzip DC Motor

  • Das Funktionsprinzip und die Kommutation eines DC Motor

    In erster Linie wird von Gleichstrom Maschinen gesprochen. Ein Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie und ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Bei Gleichstrom Maschinen ist der Aufbau von Motor und Generator gleich.

    Die DC Motoren aus unserem Hobby Bereich werden als fremderregte Motoren bezeichnet, da das Magnetfeld im Stator, den feststehenden Teil des Motors, durch Permanent Magnete erzeugt wird, ähnlich einem Nebenschluss Motor, dessen Feldwicklung im Stator durch einen separaten Stromkreis versorgt wird. Der Anker oder Läufer oder Rotor, wird über Bürsten/Kohlen und einen Kommutator, der oft auch als Kollektor oder Schleifring bezeichnet wird, was aber nicht richtig ist, von Außen mit Strom versorgt. Die Spulen auf dem Anker induzieren bei anliegender Spannung ein Magnetfeld das den Läufer durch das dauerhafte Magnetfeld des Stators in Drehbewegung versetzt. Die Drehrichtung ist dabei von der Polung der Spannung abhängig.


    Spulen sind ohmsche Widerstände, nach dem ohmschen Gesetzt U = R x I (Spannung = Widerstand x Stromstärke) erhöht sich die Stromstärke abhängig zum Anstieg der Spannung bei gleichbleibendem Widerstand. Wird die angelegte Spannung an einem DC Motor erhöht, so erhöht sich die Stromstärke, die Folge ist eine Erhöhung des Drehmomentes, das eine Drehzahlsteigerung bei gleicher Last zur Folge hat.

    Drehzahlregler für DC Motoren, ob mechanisch oder elektronisch, regeln die aktiv die Höhe der Spannung die am Motor anliegt, passiv wird dadurch die Drehzahl geregelt, da die tatsächliche Drehzahl von der Last an der Motorwelle, sowie der Temperatur der Spulen (je wärmer eine Spule, desto mehr Widerstand) und bestimmten Motorparametern abhängt.


    Vereinfachte Zeichnung zum prinzipiellen Aufbau eines zweipoligen DC Motor, die magnetischen Feldlinien sind nach der Rechten-Hand-Regel (Daumen zeigt in die Stromfluss Richtung und die Finger zeigen die Richtung der Feldlinien) und die Stromflussrichtung nach der Physikalischen Stromrichtung von Minus (Elektronenüberschuss) nach Plus (Elektronenmangel) gestaltet.


    Das Bild zeigt einen zweipoligen DC Motor mit einem dreipoligen Läufer und zeigt den üblichen Aufbau eines DC 540er, 380er und anderen DC Motoren. Es gibt auch Varianten mit fünfpoligem Läufer, die seichter anlaufen und weniger Rastmoment aufweisen. Der Aufbau mit einem Läufer der eine ungerade Polzahl hat wird deswegen gewählt, weil solche Motoren garantiert selbstständig anlaufen. Wenn ein Läufer mit gerader Polzahl so steht, das zwei Polschuhe im 90° Winkel zu den Permanent Magneten stehen, läuft der Motor nicht an.


    Die Bilder machen meines Erachtens auch die Funktionsweise des Kommutators oder Stromwender deutlich, ebenso wie deutlich wird, das bei einem DC Motor das Timing nur über ein verstellbares Lagerschild mit den Kohlenschächten mechanisch zu bewerkstelligen ist.


    Merkmale DC Motor:

    · Feststehender Teil, Stator, außen mit Permanentmagneten, innerer Läufer mit Motorwicklung als ungerade Polzahl.

    · Stromübertragung und Kommutation mittels Bürsten/Kohlen von außen über Kommutator am Läufer.

    · Da im inneren Läufer die Spulen untergebracht sind, muss das äußere Gehäuse Kühlöffnungen aufweisen.

    · Die Stromübertragung durch die von außen angeschlossenen Bürsten auf den inneren am Läufer angebrachten Kommutator bewirken mechanische Reibungsverluste und elektrische Widerstandsverluste.

    · Drehzahlregelung über Steuerung der Eingangsspannung und damit Drehmomentabhängig.

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