Erklärte Gleichstrommotoren: Funktionsprinzip, Typen und Bürsten- oder Bürstenmotoren

Was ist ein Gleichstrommotor und wie funktioniert es

Ein Gleichstrommotor ist ein elektromechanisches Gerät wandelt elektrische Gleichstromenergie in rotierende mechanische Bewegung um durch die Wechselwirkung magnetischer Felder. Strom fließt durch eine Spule (den Anker oder die Wicklung), die in einem Magnetfeld positioniert ist, und die resultierende Lorentzkraft auf den stromdurchflossenen Leiter erzeugt ein Drehmoment, das die Welle in Drehung versetzt.

Das Funktionsprinzip beruht auf einer einfachen Rückkopplungsschleife zwischen elektrischer und magnetischer Energie: Wenn Strom durch die Wicklung fließt, erzeugt er ein eigenes Magnetfeld, das mit den festen Magneten (oder Feldwicklungen) des Motors interagiert. Diese Wechselwirkung erzeugt eine Kraft senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld, beschrieben durch die Fleming-Regel der linken Hand, die den Rotor in kontinuierliche Rotation treibt, solange Strom fließt und die Polarität im richtigen Moment wechselt.

• Stator: der stationäre Teil, entweder Permanentmagnete oder elektromagnetische Feldwicklungen
• Rotor (Anker): die rotierende Wicklung, die Strom führt und Drehmoment erzeugt
• Kommutierungssystem: mechanische Bürsten/Kommutator oder elektronische Schaltung, je nach Motortyp, die die Stromrichtung umkehrt, um die Rotation aufrechtzuerhalten

Bürstenlose vs. bürstenlose Gleichstrommotoren

Der Hauptunterschied besteht darin, wie der Strom im Motor geschaltet wird: Bürstenmotoren verwenden physische Kohlebürsten und einen mechanischen Kommutator, während bürstenlose Motoren elektronische Steuerungen und Positionssensoren verwenden. Bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor wird der rotierende Anker über federbelastete Bürsten mit Strom versorgt, die gegen einen segmentierten Kommutator drücken, der die Stromrichtung mechanisch umkehrt, wenn sich die Welle dreht.

Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor ist diese Anordnung umgekehrt: Die Permanentmagnete sitzen auf dem Rotor und die Wicklungen sind am Stator befestigt. Ein elektronischer Drehzahlregler schaltet den Strom nacheinander durch die Statorwicklungen und nutzt dabei die Rückmeldung von Hall-Effekt-Sensoren oder die Rück-EMK-Erfassung, um jeden Wechsel präzise zu steuern. Da es im Laufe der Zeit nicht zu einer Abnutzung durch physischen Kontakt kommt, halten bürstenlose Motoren deutlich länger und laufen bei einer bestimmten Ausgangsleistung effizienter.

Haupttypen von Gleichstrommotoren

Über die Aufteilung zwischen bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren hinaus werden Gleichstrommotoren auch danach kategorisiert, wie die Feldwicklung relativ zum Anker verbunden ist, was ihr Drehmoment- und Drehzahlverhalten unter Last beeinflusst.

• Seriengewickelt: Feld- und Ankerwicklungen in Reihe geschaltet; Erzeugt ein sehr hohes Anlaufdrehmoment und wird in Anwendungen wie Anlassern und Kränen eingesetzt
• Shunt-Wunde: Feldwicklung parallel zum Anker geschaltet; Bietet eine stabile Geschwindigkeit bei unterschiedlichen Lasten und eignet sich für Lüfter und Förderbandantriebe
• Verbundwickel: kombiniert Reihen- und Nebenschlusswicklungen, um ein hohes Anlaufdrehmoment mit einer angemessenen Drehzahlregelung auszugleichen
• Permanentmagnet-Gleichstrom (PMDC): verwendet feste Magnete anstelle von Feldwicklungen und bietet ein kompaktes, effizientes Design, wie es bei Kleingeräten und Automobilzubehör üblich ist
• Bürstenloser Gleichstrom (BLDC): elektronisch kommutiert, wird in Drohnen, Elektrofahrzeugen, HVAC-Systemen und Präzisionsindustriegeräten eingesetzt

Vorteile von Gleichstrommotoren

Gleichstrommotoren bleiben in vielen Anwendungen die bevorzugte Wahl, weil Sie bieten präzise, leicht steuerbare Geschwindigkeit und Drehmoment mit einem einfachen spannungsbasierten Steuerschema . Die Geschwindigkeit ist ungefähr proportional zur angelegten Spannung und das Drehmoment ist ungefähr proportional zum Strom, wodurch sie im Gegensatz zu den meisten Wechselstrommotoren ohne komplexe frequenzbasierte Antriebselektronik einfach zu steuern sind.

• Hohes Anlaufdrehmoment, insbesondere in Reihenschaltungskonfigurationen, nützlich für Anlaufbedingungen mit hoher Last
• Reibungslose Geschwindigkeitsregelung über einen weiten Bereich durch einfache PWM-Spannungsanpassung
• Kompaktes Leistungs-Größen-Verhältnis, insbesondere bei bürstenlosen und Permanentmagnet-Designs
• Einfache Integration in batteriebetriebene und Niederspannungs-Gleichstromsysteme, wodurch die Notwendigkeit von Wechselstrom-Wechselrichtern in tragbaren Geräten entfällt

So wählen Sie einen Gleichstrommotor aus

Die Auswahl des richtigen Gleichstrommotors beginnt mit der Anpassung der Drehmoment- und Drehzahlanforderungen an die tatsächliche Last und nicht nur an der Nennspannung. Berechnen Sie das erforderliche Drehmoment bei Betriebsdrehzahl, fügen Sie einen Spielraum für Anlauf- und Spitzenlastbedingungen hinzu und prüfen Sie dann, ob das Dauerdrehmoment des Motors diesen Wert abdeckt, ohne seine thermischen Grenzen während des Normalbetriebs zu überschreiten.

• Einschaltdauer: Dauerbetriebanwendungen benötigen einen Motor, der für dauerhafte thermische Belastung und nicht nur für Spitzenleistung ausgelegt ist
• Anforderungen an die Lebensdauer: Bürstenlose Motoren eignen sich für Anwendungen mit hoher Zyklenzahl oder mit begrenztem Wartungsaufwand. Bürstenmotoren sind für kostengünstige, kostensensible Anwendungen geeignet
• Steuerungspräzision: Anwendungen, die eine feine Geschwindigkeits- oder Positionssteuerung erfordern, profitieren von bürstenlosen Motoren gepaart mit Encodern
• Umgebungsbedingungen: Versiegelte oder IP-zertifizierte Gehäuse sind wichtig für Motoren, die Staub, Feuchtigkeit oder Vibrationen ausgesetzt sind
• Spannungs- und Stromversorgungsbeschränkungen: Die verfügbare Batteriespannung oder DC-Busspannung sollte mit dem Nenneingangsbereich des Motors übereinstimmen, um eine ineffiziente Aufwärts-/Abwärtswandlung zu vermeiden