Leitfaden zu Gleichstrommotoren

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.

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.

Gleichstrom-Nebenschlussmotoren

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.

Gleichstrom-Reihenschlussmotoren

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.

Ventilatoren

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.

Pumpen

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.

E-Mobility

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.

Roboter

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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