Gleichstrommotoren sind allgegenwärtige Maschinen, die in einer Vielzahl elektronischer Geräte für verschiedene Anwendungen zu finden sind.

Typischerweise werden diese Motoren in Geräten eingesetzt, die eine Dreh- oder Bewegungssteuerung erfordern.Gleichstrommotoren sind wesentliche Komponenten in vielen Projekten der Elektrotechnik.Ein gutes Verständnis des Gleichstrommotorbetriebs und der Motorgeschwindigkeitsregelung ermöglicht es Ingenieuren, Anwendungen zu entwerfen, die eine effizientere Bewegungssteuerung erreichen.

In diesem Artikel werden die verfügbaren Arten von Gleichstrommotoren, ihre Funktionsweise und die Art und Weise, wie eine Drehzahlregelung erreicht wird, eingehend untersucht.

Was sind Gleichstrommotoren?

WieWechselstrommotorenGleichstrommotoren wandeln auch elektrische Energie in mechanische Energie um.Ihre Funktionsweise ist die Umkehrung eines Gleichstromgenerators, der elektrischen Strom erzeugt.Im Gegensatz zu Wechselstrommotoren werden Gleichstrommotoren mit Gleichstrom betrieben – nicht sinusförmigem, unidirektionalem Strom.

Grundkonstruktion

Obwohl Gleichstrommotoren unterschiedlich konstruiert sind, enthalten sie alle die folgenden Grundteile:

• Rotor (der Teil der Maschine, der sich dreht; auch „Anker“ genannt)
• Stator (die Feldwicklungen oder „stationärer“ Teil des Motors)
• Kommutator (kann je nach Motortyp bürstenbehaftet oder bürstenlos sein)
• Feldmagnete (stellen das Magnetfeld bereit, das eine mit dem Rotor verbundene Achse dreht)

In der Praxis basieren Gleichstrommotoren auf der Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern eines rotierenden Ankers und denen des Stators oder einer festen Komponente.

Ein sensorloser bürstenloser Gleichstrommotor-Controller.Bild mit freundlicher Genehmigung vonKenzi Mudge.

Funktionsprinzip

Gleichstrommotoren arbeiten nach dem Faradayschen Prinzip des Elektromagnetismus, das besagt, dass ein stromdurchflossener Leiter eine Kraft erfährt, wenn er in ein Magnetfeld gebracht wird.Nach Flemings „Links-Hand-Regel für Elektromotoren“ erfolgt die Bewegung dieses Leiters immer in einer Richtung senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld.

Mathematisch können wir diese Kraft als F = BIL ausdrücken (wobei F die Kraft, B das Magnetfeld, I den Strom und L die Länge des Leiters bedeuten).

Arten von Gleichstrommotoren

Je nach Bauart lassen sich Gleichstrommotoren in verschiedene Kategorien einteilen.Zu den gebräuchlichsten Typen gehören gebürstete oder bürstenlose, Permanentmagnet-, Reihen- und Paralleltypen.

Bürsten- und bürstenlose Motoren

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotorverwendet ein Paar Graphit- oder Kohlebürsten, die dazu dienen, Strom vom Anker zu leiten oder abzugeben.Diese Bürsten werden normalerweise in unmittelbarer Nähe des Kommutators gehalten.Zu den weiteren nützlichen Funktionen von Bürsten in Gleichstrommotoren gehören die Gewährleistung eines funkenfreien Betriebs, die Steuerung der Stromrichtung während der Drehung und die Sauberkeit des Kommutators.

Bürstenlose Gleichstrommotorenenthalten keine Kohle- oder Graphitbürsten.Sie enthalten normalerweise einen oder mehrere Permanentmagnete, die sich um einen festen Anker drehen.Anstelle von Bürsten verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren elektronische Schaltkreise zur Steuerung der Drehrichtung und Geschwindigkeit.

Permanentmagnetmotoren

Permanentmagnetmotoren bestehen aus einem Rotor, der von zwei gegenüberliegenden Permanentmagneten umgeben ist.Bei Gleichstrom erzeugen die Magnete einen magnetischen Feldfluss, der je nach Polarität dazu führt, dass sich der Rotor im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn dreht.Ein großer Vorteil dieses Motortyps besteht darin, dass er mit synchroner Drehzahl und konstanter Frequenz arbeiten kann, was eine optimale Drehzahlregelung ermöglicht.

Reihenschluss-Gleichstrommotoren

Bei Serienmotoren sind die Statorwicklungen (normalerweise aus Kupferstäben) und die Feldwicklungen (Kupferspulen) in Reihe geschaltet.Folglich sind Ankerstrom und Feldströme gleich.Hoher Strom fließt direkt von der Versorgung in die Feldwicklungen, die dicker und dünner sind als bei Nebenschlussmotoren.Die Dicke der Feldwicklungen erhöht die Belastbarkeit des Motors und erzeugt zudem starke Magnetfelder, die Serien-Gleichstrommotoren ein sehr hohes Drehmoment verleihen.

Shunt-Gleichstrommotoren

Bei einem Gleichstrommotor mit Nebenschluss sind die Anker- und Feldwicklungen parallel geschaltet.Durch die Parallelschaltung erhalten beide Wicklungen die gleiche Versorgungsspannung, obwohl sie getrennt erregt werden.Nebenschlussmotoren haben in der Regel mehr Windungen in den Wicklungen als Reihenmotoren, wodurch im Betrieb starke Magnetfelder entstehen.Nebenschlussmotoren können auch bei wechselnden Lasten eine hervorragende Drehzahlregelung bieten.Allerdings fehlt ihnen meist das hohe Anlaufdrehmoment von Reihenmotoren.

Ein Motor- und Geschwindigkeitsregelkreis, der in einer Mini-Bohrmaschine installiert ist.Bild mit freundlicher Genehmigung vonDilshan R. Jayakody

Drehzahlregelung des Gleichstrommotors

Es gibt drei Hauptmethoden zur Drehzahlregelung in Reihengleichstrommotoren: Flusssteuerung, Spannungssteuerung und Ankerwiderstandssteuerung.

1. Flusskontrollmethode

Bei der Flusssteuerungsmethode wird ein Rheostat (eine Art variabler Widerstand) in Reihe mit den Feldwicklungen geschaltet.Der Zweck dieser Komponente besteht darin, den Reihenwiderstand in den Wicklungen zu erhöhen, wodurch der Fluss verringert und somit die Motorgeschwindigkeit erhöht wird.

2. Spannungsregelungsmethode

Die Methode der variablen Regelung wird typischerweise bei Gleichstrommotoren mit Nebenschluss verwendet.Es gibt wiederum zwei Möglichkeiten, eine Spannungsregelungssteuerung zu erreichen:

• Anschließen des Shunt-Feldes an eine feste Erregerspannung und gleichzeitige Versorgung des Ankers mit unterschiedlichen Spannungen (auch Mehrfachspannungssteuerung genannt)
• Variieren der dem Anker zugeführten Spannung (auch bekannt als Ward-Leonard-Methode)

3. Methode zur Steuerung des Ankerwiderstands

Die Ankerwiderstandsregelung basiert auf dem Prinzip, dass die Drehzahl des Motors direkt proportional zur Gegen-EMK ist.Wenn also die Versorgungsspannung und der Ankerwiderstand auf einem konstanten Wert gehalten werden, ist die Drehzahl des Motors direkt proportional zum Ankerstrom.