Gleichstrommotoren (DC-Motoren): Funktionsprinzip, Typen und Anwendungen

Der Gleichstrommotor (DC-Motor)

Ein DC-Motor ist eine dynamische elektrische Maschine, da eine relative Bewegung zwischen seinen Teilen stattfindet. Aufgrund dieser Relativbewegung existieren ein Rotor und ein Stator. Der Stator bildet die Induktivität, während der Rotor der Anker ist. Wie jeder Motor wandelt er elektrische Energie in mechanische Energie um.

Funktionsprinzip des DC-Motors

• Durch Anlegen von Gleichstrom (DC) an die Statorwicklung wird ein festes Magnetfeld erzeugt.
• Ebenso werden die Spulen des Rotors mit Gleichstrom versorgt. Der Wirkungsgrad des Motors hängt von der Anzahl der Wicklungen und Spulen ab.
• Anstelle eines Kollektors werden separate Schleifringe verwendet (zwei Segmente pro Spule). Die Anzahl der Bürsten entspricht der Anzahl der Segmente mal zwei.
• Der Betrieb basiert auf dem Lenz'schen Gesetz und der Rechte-Hand-Regel:
• Es entsteht ein Kräftepaar, das Bewegung erzeugt.
• Da Gleichstrom durch die Spulen fließt und diese sich in einem Magnetfeld bewegen, wird eine elektromotorische Kraft (EMK) induziert (linke Hand Regel).

Arten von Gleichstrommotoren

Je nach Verschaltung von Rotor und Stator ergeben sich verschiedene Typen von DC-Motoren.

Motor mit unabhängiger Erregung

Sowohl der Rotor als auch der Stator werden mit Gleichstrom versorgt, jedoch aus getrennten Quellen.

Diese Verbindungsart ist außerhalb des Labors selten anzutreffen, da sie zur Charakterisierung der Motoreigenschaften dient. Für den industriellen Einsatz ist sie unpraktisch, da zwei separate DC-Quellen benötigt werden.

Besonderheiten des Motors mit unabhängiger Erregung

Bei geringer Beschleunigung darf dieser Motor nicht im Leerlauf betrieben werden, da die Drehzahl unkontrolliert ansteigen und zu Schäden führen könnte.

Dieser Motortyp liefert ein sehr hohes Anlaufdrehmoment bei niedriger Geschwindigkeit, was beispielsweise für die Beschleunigung einer U-Bahn nützlich ist.

Der Antrieb über einen Treibriemen ist nicht ratsam. Würde der Riemen reißen, würde der Motor ohne Last laufen, die Drehzahl würde stark ansteigen und den Motor beschädigen. Daher werden stattdessen Getriebe verwendet.

Parallel- oder Nebenschlussmotor (Shunt-Motor)

Rotor und Stator werden mit der gleichen Spannung versorgt. Die Leistungssteuerung erfolgt über die Widerstandsregelung im Erregerkreis (RCP: Resistance Control Power), wodurch die Stromstärke in der Erregerwicklung gesteuert wird. Dies wird genutzt, um den Strom in der Ankerwicklung beim Anlaufen zu regeln.

Dieser Motor hat keine Probleme beim Betrieb im Leerlauf (die Drehmomentkurve berührt die Achse nicht und die Drehzahl geht nicht ins Unendliche). Er besitzt ein maximales Drehmoment und eine maximale Drehzahl, was ihn für industrielle Anwendungen ähnlich dem AC-Induktionsmotor macht.

Reihenschluss- oder Mischschlussmotor (Compound-Motor)

Dieser Typ vereint die Vorteile der anderen Bauformen. Er bietet ein hohes Anlaufmoment und ermöglicht eine gute Drehzahlregelung bei wechselnden Lasten. Seine industriellen Anwendungen sind vergleichbar mit denen des AC-Synchronmotors.