DC-Motor

DC-Motor Vorderansicht und Rückansicht
DC-Motor Vorder­an­sicht und Rückansicht

DC-Motoren wer­den auch als Gle­ich­strom­mo­toren beze­ich­net, ihr direk­tes Gegen­stück sind AC-Motoren oder auch Wech­sel­strom­mo­toren genan­nt. Wie der Name schon sagt, kann ein Gle­ich­strom­mo­tor mit Gle­ich­strom aus ein­er Gle­ichspan­nungsquelle, z. B. ein­er 12-V-Bat­terie, betrieben wer­den. Die obere Abbil­dung zeigt die Rück- und Vorder­an­sicht eines Gle­ich­strom­mo­tors. Um den Auf­bau und die Funk­tion bess­er zu erk­lären, wurde ein sehr ein­fach­es Motorde­sign gewählt.

Aufbau DC-Motor

Wie jed­er Elek­tro­mo­tor beste­ht auch der Gle­ich­strom­mo­tor aus einem Rotor und einem Sta­tor. Im Gegen­satz zu Wech­sel­strom­mo­toren beste­ht der nicht rotierende Sta­tor des Gle­ich­strom­mo­tors aus Per­ma­nent­mag­neten. Die Dauer­mag­nete sind auf einem zylin­drischen Man­tel aus Blech befes­tigt. Der rotierende Rotor beste­ht aus einzel­nen dün­nen Elek­trob­lechen. Der Rotor ist mit Wick­lun­gen aus Kupfer­draht umwick­elt. Die einzel­nen Wick­lun­gen sind mit dem Kom­mu­ta­tor ver­bun­den. Auf dem rotieren­den Kom­mu­ta­tor schleifen zwei Bürsten für den Plus- und Minus­pol. Die Bürsten kön­nen z. B. aus Kohles­tiften oder Met­all beste­hen. Um den Kon­takt zu verbessern, wer­den die Kohles­tifte durch kleine Fed­ern auf den Kom­mu­ta­tor gedrückt. Die Bürsten sind mit den Plus- und Minus­polen für die Gle­ichspan­nung ver­bun­den. Im Gegen­satz zu einem Wech­sel­strom­mo­tor, der in der Regel drei Anschlüsse für die Stromver­sorgung hat, hat der Gle­ich­strom­mo­tor nur zwei Anschlüsse für eine Gleichspannung.

Funktionsweise DC-Motor

Wie jed­er Elek­tro­mo­tor benötigt auch der Gle­ich­strom­mo­tor ein wech­sel­ndes Mag­net­feld, das sich je nach Posi­tion ändert. Das Mag­net­feld wird durch einen Strom­fluss in den Wick­lun­gen erzeugt. Damit sich das Mag­net­feld in Abhängigkeit von der Posi­tion ändert, muss sich die Rich­tung des Strom­flusses in den Wick­lun­gen ändern. Genau dafür wird der so genan­nte Kom­mu­ta­tor benötigt, der die Polar­ität der an die Wick­lun­gen angelegten Span­nung ändert. Der Kom­mu­ta­tor sorgt also dafür, dass entwed­er eine pos­i­tive oder eine neg­a­tive Span­nung an die Wick­lun­gen angelegt wird. Damit ändert sich auch die Rich­tung des Strom­flusses in der Wick­lung und damit das Mag­net­feld. Der Kom­mu­ta­tor kann also als mech­a­nis­ch­er Wech­sel­richter betra­chtet wer­den, der den Gle­ich­strom im Motor in einen Wech­sel­strom für die Wick­lun­gen umwan­delt. Aus diesem Grund wird der Kom­mu­ta­tor auch als mech­a­nis­ch­er Stromwen­der bezeichnet.

DC-Motor Kommutator Vorderansicht und Draufsicht
DC-Motor Kom­mu­ta­tor Vorder­an­sicht und Draufsicht

DC-Motor Typen

Es gibt drei ver­schiedene Arten von Gleichstrommotoren:

  • selb­ster­regter Gleichstrommotor
  • fremder­regter Gleichstrommotor
  • Per­ma­nent­mag­net-Gle­ich­strom­mo­tor

Der per­ma­nent­mag­neter­regte Gle­ich­strom­mo­tor ist auf­grund seines ein­fachen Auf­baus am weitesten ver­bre­it­et. Der fremder­regte Gle­ich­strom­mo­tor und der selb­ster­regte Gle­ich­strom­mo­tor haben keine Dauer­mag­nete im Sta­tor; stattdessen ver­wen­den diese Gle­ich­strom­mo­toren Elek­tro­mag­nete im Sta­tor. Bei selb­ster­regten Gle­ich­strom­mo­toren wird die Span­nung für den Elek­tro­mag­neten direkt aus der Gle­ichspan­nung ver­wen­det. Fremder­regte Gle­ich­strom­mo­toren ver­wen­den stattdessen eine zusät­zliche Span­nung, die unab­hängig von der Gle­ichspan­nung des Gle­ich­strom­mo­tors eingestellt wer­den kann. Das direk­te Gegen­stück zu den Gle­ich­strom­mo­toren sind die bürsten­losen Gle­ich­strom­mo­toren oder BLDC-Motoren. Wie der Name schon sagt, haben BLDC-Motoren keine Bürsten, also auch keinen Kom­mu­ta­tor. Bürsten­lose Motoren gehören zu den Wech­sel­strom­mo­toren. Eisen­lose oder nuten­lose Gle­ich­strom­mo­toren haben keine Nuten im Rotor, d. h. keine Zähne, um die die Wick­lun­gen gewick­elt wer­den. Die Wick­lun­gen sind also sozusagen um Luft gewick­elt. Deshalb spricht man auch von ein­er Luftspaltwicklung.

DC-Motor Regelung

Die Drehrich­tung kann ein­fach über die Polar­ität an den bei­den Klem­men des Gle­ich­strom­mo­tors eingestellt wer­den. Also zum Beispiel +12V für Recht­slauf und ‑12V für Linkslauf. Die genaue Ver­sorgungss­pan­nung und Drehrich­tung sollte dem Daten­blatt des Her­stellers des Gle­ich­strom­mo­tors ent­nom­men wer­den. Die Drehzahl kann über die Span­nung des Gle­ich­strom­mo­tors verän­dert wer­den. Um die Drehzahl kor­rekt zu regeln, wird jedoch ein Sen­sor oder Encoder zur Erfas­sung der Drehzahl benötigt. Es gibt auch spezielle Meth­o­d­en, um die Drehzahl aus dem Motorstrom zu berech­nen. Als Regler kann ein PI-Regler einge­set­zt wer­den, der die Span­nung in Abhängigkeit von der Abwe­ichung zwis­chen Soll- und Ist-Drehzahl anpasst. Die so eingestellte Span­nung­shöhe verän­dert den Gle­ich­strom, der durch den Motor fließt. Auf diese Weise wird die Drehzahl des Gle­ich­strom­mo­tors auf die eingestellte Drehzahl geregelt. 
DC-Motor Kommutator mit Wicklungen
DC-Motor Kom­mu­ta­tor mit Wicklungen

Anwendungen DC-Motoren

Gle­ich­strom­mo­toren wer­den meist für ein­fache Stel­lantriebe ver­wen­det. Ein großes Anwen­dungs­ge­bi­et für Stel­lantriebe mit Gle­ich­strom­mo­toren ist die Auto­mo­bilin­dus­trie. Dort wer­den Gle­ich­strom­mo­toren für Klap­pen und Ven­tile einge­set­zt. Auch im Mod­ell­bau wer­den viele Gle­ich­strom­mo­toren für Ser­voantriebe zur Steuerung von Mod­ell­flugzeu­gen und für fer­nges­teuerte Autos und Boote verwendet.

Advantages and Disadvantages

Da Gle­ich­strom­mo­toren in sehr hohen Stück­zahlen in einem vol­lau­toma­tis­chen Prozess hergestellt wer­den, sind sie sehr kostengün­stig. In den meis­ten Fällen wer­den kostengün­stige Fer­rite anstelle von Neodym-Eisen-Bor-Mag­neten ver­wen­det, um die Her­stel­lungskosten niedrig zu hal­ten. Die schwächeren Mag­nete haben einen gerin­geren Wirkungs­grad und eine gerin­gere Leis­tungs­dichte. Es gibt jedoch auch hochw­er­tige Gle­ich­strom­mo­toren, die einen guten Wirkungs­grad haben. Diese sind dann allerd­ings in Bezug auf die Kosten mit den Wech­sel­strom­mo­toren ver­gle­ich­bar. Ein großer Nachteil ist die begren­zte Lebens­dauer auf­grund des Rei­bungsver­schleißes der Bürsten. Diese begren­zen auch die Drehzahl von Gle­ich­strom­mo­toren. Auch das so genan­nte Bürsten­feuer, das zwis­chen den Bürsten und dem Kom­mu­ta­tor entste­ht, schränkt die Ein­satzmöglichkeit­en von Gle­ich­strom­mo­toren ein.