Gleichstrommotor – Aufbau und Funktion

Ein Gleichstrommotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie aus einer Gleichspannungsquelle in mechanische Drehbewegung umwandelt. Speist man ihn umgekehrt mechanisch an, arbeitet er als Generator und liefert Gleichspannung — er ist also reversibel. Diese Doppeleigenschaft hat ihn historisch zum Arbeitstier der frühen Elektrotechnik gemacht.

Auch heute steckt der Gleichstrommotor an vielen Stellen, an denen man ihn nicht sofort vermutet:

• Anlasser, Scheibenwischer, Fensterheber und Sitzverstellung in Fahrzeugen
• Akkuschrauber, Bohrmaschinen und andere bürstenbehaftete Elektrowerkzeuge
• Stellantriebe in der Automatisierung und Robotik
• Modellbau, Spielzeug, kleine Lüfter und Pumpen
• Bahnantriebe in älteren Zügen und Straßenbahnen

Seine Stärken sind hohes Anlaufmoment, einfache Drehzahlregelung über die Spannung und ein gutmütiges Verhalten. Sein größter Schwachpunkt: Bürsten und Kommutator unterliegen Verschleiß und brauchen Wartung. Aus diesem Grund werden klassische Gleichstrommotoren in vielen Anwendungen heute durch bürstenlose Varianten (BLDC) ersetzt.

Die ganze Idee des Gleichstrommotors beruht auf einem einzigen physikalischen Effekt: Ein Leiter, durch den ein Strom fließt, erfährt in einem Magnetfeld eine Kraft. Diese Kraft steht senkrecht auf der Stromrichtung und senkrecht auf dem Magnetfeld. Der genaue Hintergrund — die Lorentzkraft — wird in einem eigenen Beitrag behandelt; hier reicht das anschauliche Bild.

Qualitativ gilt:

Mehr Strom oder ein stärkeres Feld bedeutet mehr Kraft. Die Richtung der Kraft bestimmt man mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand: Daumen für die Stromrichtung, Zeigefinger für die Feldrichtung, dann zeigt der Mittelfinger die Kraftrichtung. (Bei der linken Hand gilt das Ganze für die Bewegung positiver Ladungsträger entgegen der technischen Stromrichtung — hier reicht die rechte Hand mit technischer Stromrichtung.)

Was passiert, wenn man eine rechteckige Drahtschleife zwischen zwei Magnetpole hängt und Strom hineinschickt? Auf der einen Längsseite der Schleife wirkt eine Kraft nach oben, auf der anderen — weil dort der Strom in die andere Richtung fließt — eine Kraft nach unten. Die Schleife dreht sich. Genau das ist der Kern jedes Gleichstrommotors.

Ein Gleichstrommotor besteht aus zwei Hauptbaugruppen: dem feststehenden Stator und dem drehbaren Rotor. Zwischen den beiden liegt der Luftspalt — der Bereich, in dem das Magnetfeld auf den stromdurchflossenen Leiter wirkt.

Stator (das Feststehende):

• Hauptpole mit der Erregerwicklung oder, bei kleineren Motoren, Permanentmagnete. Die Hauptpole erzeugen das Magnetfeld, in dem der Anker arbeitet.
• Joch (Gehäuserückschluss) aus ferromagnetischem Material, das den magnetischen Kreis schließt.
• Wendepole (kleinere Hilfspole zwischen den Hauptpolen) bei größeren Maschinen — sie verbessern den Stromwechsel im Kommutator und reduzieren das Bürstenfeuer.
• Kompensationswicklung in den Polschuhen bei hochbelasteten Maschinen, um die Verzerrung des Hauptfeldes durch den Ankerstrom (Ankerrückwirkung) auszugleichen.

Rotor / Anker (das Drehende):

• Ankerblechpaket aus gegeneinander isolierten Stahlblechen, in denen Nuten eingestanzt sind. Die Blechung reduziert Wirbelstromverluste.
• Ankerwicklung in den Nuten — many Einzelspulen, die so verschaltet sind, dass der Strom immer durch die Leiter unter den richtigen Polen fließt.
• Kommutator (Stromwender) aus Kupferlamellen, gegeneinander isoliert, auf die Welle aufgezogen. Jede Lamelle ist mit einer Spule der Ankerwicklung verbunden.
• Welle mit den Lagern und gegebenenfalls einem Lüfterrad.

Bürsten und Bürstenhalter:
Die Bürsten sind meist aus Kohle oder Kohle-Metall-Mischungen. Sie werden durch Federn auf den Kommutator gedrückt und leiten den Strom von außen in die Ankerwicklung. Kohlebürsten sind so gewählt, dass sie schneller verschleißen als der Kommutator — die Bürste ist das günstige Verschleißteil.

Schaut man sich nur eine einzelne Drahtschleife im Magnetfeld an, ergibt sich ein Problem: Sobald die Schleife eine halbe Umdrehung gemacht hat, liegt die Seite, die vorher unter dem Nordpol war, jetzt unter dem Südpol. Bei gleicher Stromrichtung in der Schleife würde die Kraft auf diese Seite jetzt in die andere Richtung wirken — der Motor würde bremsen statt weiterdrehen.

Genau hier setzt der Kommutator an. Er ist der entscheidende Trick des Gleichstrommotors. Über die Bürsten wird von außen ein gleichbleibender Gleichstrom zugeführt. Der Kommutator polt aber, mechanisch gekoppelt an die Drehung, den Strom in der Ankerwicklung jedes Mal um, wenn eine Wicklungsmasche den kritischen Punkt zwischen den Polen passiert. Das Ergebnis: Die Kraft auf jede Wicklung wirkt immer in dieselbe Drehrichtung, der Motor läuft kontinuierlich.

In der Praxis hat ein Anker nicht eine einzige Schleife mit zwei Lamellen, sondern viele Spulen mit vielen Lamellen — typisch sind 20 oder mehr. Das hat zwei wichtige Konsequenzen: Erstens überlagern sich die Drehmomente der vielen Spulen so, dass das Gesamtmoment gleichmäßig statt pulsierend wird. Zweitens steht der Anker nie in einer „toten Stellung“, in der gar kein Drehmoment vorhanden wäre — er läuft aus jeder Position selbständig an.

Sobald sich der Anker dreht, geschieht im Hintergrund noch etwas anderes: Seine Wicklungen bewegen sich durch das Magnetfeld der Hauptpole und es wird in ihnen eine Spannung induziert — die induzierte Gegenspannung U_i, manchmal auch EMK genannt. Diese Spannung ist nach der Lenzschen Regel so gerichtet, dass sie der angelegten Klemmenspannung U entgegenwirkt. Sie wächst mit der Drehzahl und mit der Stärke des Erregerflusses.

Daraus ergibt sich die zentrale Spannungsgleichung des Gleichstrommotors:

Die Gegenspannung selbst hängt linear von Drehzahl und Fluss ab. Der Faktor c heißt Maschinenkonstante und fasst die konstruktiven Eigenschaften der Wicklung in einer Zahl zusammen:

Was bedeutet das praktisch? Stellt man den Motor stromlos an die Klemmenspannung und schaltet ein, ist im ersten Moment n = 0. Damit ist auch U_i = 0 — und der Ankerstrom wird allein durch den kleinen Ankerwiderstand begrenzt:

Da R_a typischerweise sehr klein ist (oft Bruchteile von Ohm), ist der Anlaufstrom ein Vielfaches des Nennstroms. Sobald der Anker hochläuft, wächst U_i, der Spannungsabfall U − U_i wird kleiner und damit auch I_a. Das System pendelt sich auf einen stationären Arbeitspunkt ein, in dem der Strom gerade das nötige Drehmoment liefert, um die Last zu treiben. Der Ankerwiderstand R_a ist dabei nicht nur die Strombremse im Anlauf, sondern verursacht im Betrieb auch die ohmschen Verluste in der Wicklung.

So wie die induzierte Gegenspannung mit der Drehzahl steigt, hängt das Drehmoment des Motors mit dem Ankerstrom zusammen. Je mehr Strom durch die Ankerwicklungen fließt, desto größer ist die Kraft auf jeden Leiter im Magnetfeld — und desto größer ist das Drehmoment an der Welle.

Aus dem Drehmoment und der Drehzahl ergibt sich die mechanische Leistung an der Welle:

Achtung bei der Einheit der Drehzahl. Im Maschinenbau steht n meist für 1/min, in der Leistungsformel braucht man aber 1/s. Vor dem Rechnen also stets durch 60 teilen — sonst kommt ein um den Faktor 60 zu großes Ergebnis heraus.

Lastverhalten: Wird der Motor mit mehr Last beaufschlagt, sinkt die Drehzahl zunächst leicht. Dadurch wird U_i kleiner, der Spannungsabfall an R_a größer und I_a steigt — bis das neue Drehmoment der erhöhten Last entspricht. Der Motor reagiert also automatisch auf Lastschwankungen. Wie genau diese Kennlinie aussieht, hängt von der Bauart der Erregung ab (Nebenschluss, Reihenschluss, Doppelschluss) und wird in einem eigenen Beitrag detailliert behandelt. Auch die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Drehzahlsteuerung gehören in einen eigenen Beitrag und werden hier nur am Rand gestreift.

Um die Drehrichtung eines Gleichstrommotors zu ändern, muss man die Richtung der Kraft auf den Anker umkehren. Aus F = B · I · l folgt: Entweder dreht man B um (Polarität des Magnetfelds), oder man dreht I um (Stromrichtung im Anker). Beides gleichzeitig würde die Wirkung wieder aufheben und die Drehrichtung bliebe gleich.

Daraus ergeben sich die zwei praktischen Wege:

• Ankerstrom umpolen: Die Klemmen des Ankerkreises werden vertauscht, die Erregung bleibt unverändert. Dies ist die übliche Methode bei kleineren Maschinen und bei Servoanwendungen, weil sich der Ankerstrom schneller umpolen lässt als der Erregerstrom.
• Erregerstrom umpolen: Die Klemmen der Erregerwicklung werden vertauscht, der Ankeranschluss bleibt. Wird seltener angewandt, ist aber bei bestimmten Bauarten der Standardweg.

Bei einem Motor mit Permanentmagneten gibt es keine Erregerwicklung. Hier bleibt nur das Vertauschen der Ankeranschlüsse — was bei diesen kleinen Motoren ohnehin der einfachste Weg ist.