Gleichstrommaschine - Kommutatormaschine


Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 08.09.2011

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Kommutatormaschinen haben einen Kommutator, welcher abhängig von der Rotorlage die Stromrichtung in den einzeln verdrahteten Stromleitern des Rotors umschaltet. Der typische Vertreter dieser Maschinenart ist die Gleichstrommaschine, da solche Maschinen bei entsprechender Auslegung (Universalmotoren) auch mit Wechselstrom betrieben werden, wird hier als Oberbegriff Kommutatormaschine gewählt. Der Begriff Maschine wird verwendet, weil die meisten Antriebe sowohl als Motor wie auch als Generator betrieben werden können.
gleichstrommaschine
Foto eines typischen industriellen Gleichstrommotors mit aufgebauten Fremdlüfter.

Das Prinzip der Kommutatormaschine ist relativ einfach, die mechanische Konstruktion dafür recht aufwendig. Die Leiter des Rotors werden vom Magnetfeld des Stators durchdrungen. Die Kommutierung (Nachführung des Strombelages im Rotor) erfolgt auf mechanische Art. Dazu sind auf der Achse Schalter (Kollektor mit Bürsten) angebracht, welche direkt durch die Drehung die entsprechenden Leiter (Windung) einschalten. Die mechanische Festigkeit des Kollektors begrenzt die Maximaldrehzahl des Gleichstrommotors. Die Grundfunktionen des Gleichstrommotors sind einfach: das Drehmoment ist proportional zum Strom, die Drehzahl proportional zur Spannung. Ein entsprechendes Regel-/Steuergerät ist einfach und günstig (Seriewiderstand in der Erregung, Thyristortechnik, DC-Chopper).

Das Prinzip des Gleichstrommotors funktioniert je nach Schaltungsart und Auslegung auch mit Wechselstrom, wenn die Erregung und der Ankerstrom die gleiche Frequenz haben. Die meisten einfachen Kleinantriebe (Scheibenwischermotoren, Kinderspielzeuge, Haushaltgeräte, Stellantriebe ...) sind mit Kollektormotoren ausgerüstet, welche direkt ans Netz geschaltet werden können.

Grundgleichungen

Der Gleichstrommotor ist der klassische Regelantrieb. Er wird als Hauptantrieb bis zu einigen MW Leistung, als Universalantrieb, als Servoantrieb und als Stellantrieb bis hinunter in den Milliwattbereich eingesetzt. Die einfachen Grundgleichungen lauten:

FormelEinheitBezeichnungBemerkungen
M = I Ψ Nm Drehmoment  
U = R I + Ω Ψ V Spannung  
Ia = U / R A Anlaufstrom  
Ma = Ia Ψ Nm Anlaufmoment  
Ω0 = U / Ψ rad/s Leerlaufdrehzahl  
P = M Ω W Mechanische Leistung Leistungsbetrachtung
Pe = U I W Elektrische Leistung  
Pv = R I ² W Rotorverlustleistung im Rotor (Anker)
SymbolEinheitBezeichnungBemerkungen
M Nm Drehmoment  
Ω rad/s Drehzahl 1500 U/min sind 157 rad/s
U V Spannung für den Rotor (Anker)
I A Strom für den Rotor (Anker)
R Ω Rotorwiderstand  
Ψ Vs Flussverkettung  
n   Index für Nennwert  

Das Nennmoment Mn ist die maximale zulässige Belastung, bei dem die entstehende Verlustwärme Pvn = R In² [W] den Antrieb nicht überhitzt. Die Nenndrehzahl Ωn ist die Motordrehzahl, welche sich bei Nennspannung Un und Nennbelastung Mn einstellt, dann fliesst auch der Nennstrom In [A]. In diesem Betriebspunkt gibt der Motor seine Nennleistung Pn = Mn Ωn [W] ab und nimmt die Nennleistung Pen = Un In [W] auf.

gleichstrommaschine_kennlinie
Die Drehmoment-Drehzahlkennlinie einer fremderregten 15 kW Gleichstrommaschine ist eine Gerade.

Oft wird auch von bürstenlosen Gleichstrommaschinen "brushless DC" gesprochen. Damit ist ein kommutatorloser Antrieb mit dem Betriebsverhalten einer Gleichstrommaschine gemeint. Eigentlich handelt es sich um eine mit Permanentmagneten erregte Synchronmaschine, welche mit blockförmigen Strömen angesteuert wird.

Ein Motor gibt nur seine Nennleistung ab, wenn die Last genau diese erfordert. Praktisch ist es unwahrscheinlich dass in einer Anwendung der Motor mit seiner Nennleistung belastet wird. Meistens ist das Lastmoment tiefer als das Nennmoment des Motors. Wenn einem Motor über längere Zeit mehr Drehmoment abverlangt wird, als er dauernd abgeben kann, wird er zu warm und kann ausfallen.

gleichstrommaschine_schnitt_2polig
Schnitt durch einen 2-poligen permanenterregten Gleichstrommotor.
gleichstrommaschine_schnitt_4polig
Schnitt durch einen 4-poligen permanenterregten Gleichstrommotor.

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