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Von bürstenlos bis bürstenbehaftet: Dieser Leitfaden dient als umfassende Informationsquelle rund um das Thema Gleichstrommotoren, deren Funktionsweisen, Erfinder, die verschiedenen Motorentypen und die einzelnen Anwendungen dieser Komponenten.
Ein Gleichstrommotor, auch DC-Motor genannt, nimmt elektrischen Strom in Form von Gleichstrom (englisch direct current) auf und wandelt diesen in eine mechanische Drehbewegung (Rotation) um. Dabei macht er sich die durch den Stromfluss entstehenden Magnetfelder zunutze, um einen auf der Motorwelle sitzenden Rotor, genannt Anker, in eine Drehbewegung zu versetzen. Das Antriebsdrehmoment und die Antriebsgeschwindigkeit hängen sowohl vom Eingangsstrom als auch der Konstruktionsweise des Motors ab.
Die Bezeichnung „Gleichstrommotor“ bezieht sich auf sämtliche Rotationsmaschinen, die elektrischen Gleichstrom in mechanische Energie umsetzen. Es gibt Gleichstrommotoren in unterschiedlichen Größen und mit unterschiedlicher Leistung – von kleinen Motoren für Spielzeug und Haushaltsgeräte bis hin zu großen Konstruktionen, die Fahrzeuge, Aufzüge und Hubwerke sowie Stahlwalzwerke antreiben. Auf diese Unterschiede werden wir im Verlauf dieses Ratgebers näher eingehen.
Gleichstrommotoren bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten: einem Feldmagneten (Stator) und einem sogenannten Anker (Rotor). Der Stator ist der unbewegliche Teil des Motors, der Anker dreht sich. Bei einem Gleichstrommotor erzeugt der Stator ein rotierendes Magnetfeld, das den Anker in eine Drehbewegung versetzt.
Die Grundform besteht aus einem unbeweglichen Satz Magneten im Stator und einer Drahtspule, durch die ein Strom fließt. Dadurch wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das durch den Spulenkern verläuft. Eine oder mehrere Wicklungen von isoliertem Draht sind um den Kern des Motors gewickelt, um das Magnetfeld zu konzentrieren.
Die Wicklungen des isolierten Drahts sind an einen Kommutator (auch Kollektor, Stromwender oder Polwender genannt) angeschlossen, über den ein elektrischer Strom an die Wicklungen angelegt wird. Durch den Kommutator werden die Ankerspulen nacheinander erregt, wodurch eine gleichmäßige Drehkraft (Drehmoment) entsteht.
Wenn die Spulen nacheinander ein- und ausgeschaltet werden, entsteht ein wechselndes Magnetfeld, das mit den Feldkräften der stationären Feldmagneten im Stator interagiert und so ein Drehmoment erzeugt, das den Stator in eine Drehbewegung versetzt. Dieses Wirkprinzip von Gleichstrommotoren sorgt dafür, dass die elektrische Energie des Gleichstroms in mechanische Energie, die Drehbewegung, umgewandelt wird, die dann für den Antrieb von Objekten genutzt werden kann.
Wie bei den meisten großen Erfindungen waren viele Persönlichkeiten an der Entwicklung ähnlicher Mechanismen beteiligt.
In den USA wird Thomas Davenport weithin als Erfinder des ersten Elektromotors gefeiert. Zweifelsohne war er der Erste, der 1837 einen tauglichen Elektromotor patentieren ließ. Davenport war jedoch nicht der Erste, der einen Elektromotor entwickelt hatte. Als er sein Patent anmeldete, hatten bereits einige europäische Ingenieure eigene, leistungsstärkere Versionen des Elektromotors entwickelt.
1834 entwarf Moritz Jacobi einen Gleichstrommotor, dessen Leistung dreimal so hoch war wie die von Davenports patentierte Erfindung. Im Jahr 1835 fanden Sibrandus Stratingh und Christopher Becker die erste praktische Anwendung für Elektromotoren: ein kleines elektrisches Fahrzeug. Der erste alltagstaugliche Gleichstrommotor wurde erst einige Jahrzehnte später, 1886, von Frank Julian Sprague entwickelt. Seine Erfindung bildete eine wesentliche Grundlage für die Konstruktion der ersten elektrisch betriebenen Straßenbahn (1887) und des ersten elektrischen Aufzugs (1892). Dies waren wichtige Meilensteine, die völlig neue Anwendungsmöglichkeiten für Industrie und Fertigung eröffneten.
Auch wenn das Funktionsprinzip im Grunde immer ähnlich ist, gibt es verschiedene Ausführungen und Konstruktionstypen, mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen.
Im Folgenden gehen wir auf vier Haupttypen näher ein: bürstenlose Motoren, Bürstenmotoren, Nebenschluss- und Reihenschlussmotoren.
Der bürstenlose Gleichstrommotor (englisch brushless DC motor, abgekürzt BLDC- oder BL-Motor, oder electronically commutated motor, kurz EC-Motor) basiert entgegen der Namensgebung nicht auf dem Funktionsprinzip der Gleichstrommaschine, sondern ist wie eine Drehstrom-Synchronmaschine aufgebaut. Die Grundlage für bildet halbleiterbasierte Solid-State-Technologie.
Der wesentliche Unterschied zu anderen Gleichstrommotorenarten besteht darin, dass der bürstenlose Gleichstrommotor keinen Kommutator besitzt. Dieser wird durch einen elektronischen Servomechanismus ersetzt, der den Rotorwinkel erkennt und anpasst.
Bürstenlose Gleichstrommotoren bieten zahlreiche Vorteile. Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren erfolgt der Anschluss der Kommutatoren über Schleifkontakte, die sogenannten „Bürsten“, die mit der Zeit verschleißen. Aus diesem Grund sind bürstenlose Gleichstrommotoren langlebiger und sicherer als klassische Gleichstrommaschinen.
Bei allen Elektromotoren wird das Drehmoment durch die Umkehrung der Polung der rotierenden Magneten am Rotor und der festen Feldmagneten im umgebenden Stator erzeugt. Mindestens eine dieser Magnetkomponenten ist ein Elektromagnet, bestehend aus einer Spule mit Draht, der um einen Eisenkern gewickelt ist.
Bei einem Gleichstrommotor fließt Gleichstrom durch die Drahtwicklung und erzeugt so ein Magnetfeld. Bei jeder 180-Grad-Drehung des Rotors werden die Nord- und Südpole der Magnete gewendet. Ohne diese Polwendung würde sich der Rotor nicht drehen. Um in einem Gleichstrommotor das Drehmoment in eine Richtung zu erzeugen, muss der elektrische Strom bei jeder 180-Grad-Drehung des Rotors gewendet werden.
Bei konventionellen Gleichstrommotoren erfolgt dies über den Kommutator. Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor hingegen erkennt ein Sensor die Winkelposition des Rotors. Ein Halbleiterschalter wendet dabei entweder die Richtung des Stroms oder schaltet ihn im richtigen Moment der Drehbewegung ein und aus, um das Drehmoment in eine Richtung zu erzeugen.
Die klassische, auf Pragues Patent basierende Konstruktion verfügt über einen Kommutator, der die Stromrichtung bei jeder halben Umdrehung umpolt und so ein unidirektionales Drehmoment erzeugt.
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind noch heute weit verbreitet und werden zum Antrieb von Kränen, Papiermaschinen und Stahlwalzwerken verwendet. In den letzten Jahren wurden sie jedoch in vielen Bereichen durch die effizientere bürstenlose Ausführung ersetzt. Wie oben bereits umrissen, verfügen bürstenbehaftete Gleichstrommotoren über Schleifkontakte, sogenannte „Bürsten“, die dafür sorgen, dass der Motor in eine Richtung rotiert. Die Geschwindigkeit kann über die Betriebsspannung oder die magnetische Feldstärke angepasst werden.
Es gibt verschiedene Arten von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, die sich hinsichtlich der Verbindung zum Anker unterscheiden.
Beim Gleichstrom-Nebenschlussmotor handelt es sich um einen Bürstenmotor, bei dem die Erregerwicklung und der Anker parallel geschaltet sind. Gleichstrommotoren mit Nebenschlusswicklung weisen aufgrund der Parallelwicklung einen geringeren Strom auf.
Nebenschlussmotoren werden in Geräten eingesetzt, die ein konstantes Drehmoment benötigen und nahezu lastunabhängig sind, etwa Förderbänder, Mischer und Hebezeuge.
Nebenschlussmotoren eignen sich aufgrund ihrer speziellen Erregerwicklung und der daraus resultierenden Eigenschaften besonders gut für Anwendungen mit konstantem Drehmoment. Viele Gleichstrom-Nebenschlussmotoren weisen eine konstante Drehzahl auf. Der geringere Drehzahlunterschied zwischen Null- und Volllast ist einer der Hauptvorteile dieses Motortyps.
Beispiel Parvalux DC-Getriebe
Als letzter Bürstenmotor in diesem Leitfaden wird nun noch der Gleichstrommotor mit Reihenwicklung vorgestellt. Der Hauptunterschied zwischen diesem Motortyp und dem oben vorgestellten Nebenschlussmotor besteht darin, dass hier Erreger- und Rotorwicklung in Reihe geschaltet sind. Dadurch fließt der gesamte Ankerstrom durch die Erregerwicklung, was erheblich höhere Drehzahlen ermöglicht.
Da die Versorgungsspannung nicht angepasst werden kann, lässt sich die Drehzahl bei Gleichstrom-Reihenschlussmotoren nicht sehr gut steuern. Während dies für manche Anwendungen ein Problem darstellt, eignen sie sich durch ihr hohes Anlaufmoment besonders gut für Geräte wie Elektrowerkzeuge und Nähmaschinen.
Durch die besonderen Eigenschaften dieses Motortyps eigenen sie sich am besten für klar definierte Einsatzbereiche.
Beispiel Faulhaber 1512
Deckenventilatoren, die mit Gleichstrom betrieben werden, stellen eine probate Alternative zu Wechselstromventilatoren dar. Ein Grund für die wachsende Beliebtheit ist der geringere Stromverbrauch im Betrieb. Die Ersparnis gleicht den höheren Anschaffungspreis langfristig aus.
Hydraulikpumpen sind für die Industrie unentbehrlich und werden im Bauwesen, Bergbau, Fertigungsbereich und in der Stahlproduktion eingesetzt. Ein wichtiges Merkmal hierbei ist die einfach regulierbare Drehzahlregelung und das hervorragende Ansprechverhaltens. Die Entwicklung günstigerer bürstenloser Gleichstrommotoren in den vergangenen Jahren war eine maßgebliche Verbesserung, die die Wartungskosten gerade im Einsatz in der Industrie verringert hat.
Vom E-Bike über E-Scooter bis hin zu Elektroautos werden Gleichstrommotoren wegen ihrer Energieeffizienz und Langlebigkeit eine häufige Wahl immer wichtiger, um Elektromobilität voranzutreiben. In E-Bikes werden z.B. in der Regel bürstenlose Gleichstrommotoren verwendet, die benötigte Leistung und das Drehmoment sicherzustellen. Sie werden häufig in der Nabe des Rück- oder Vorderrads verbaut oder in der Mitte des Rahmens montiert und mit dem Kettenblatt verbunden.
In Industrierobotern und Roboterarmen für Labore und Werkstätten setzen Gleichstrommotoren die verschiedenen Bewegungskomponenten (Manipulator und Effektor) in Gang. Vor allem aufgrund ihres hohen Drehmoments und ihrer Effizienz sind sie für den Einsatz in der Robotik besonders gut geeignet.
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