Gleichstrommotoren haben einen Kommutator, welcher abhängig von der Rotorlage die Stromrichtung in den einzeln verdrahteten Stromleitern des Rotors umschaltet. Der Begriff Maschine wird verwendet, da fast alle Motoren auch als Generator betrieben werden können. Ausnahme ist die Hauptschluss-Gleichstrommaschine, welche auch mit Wechselstrom läuft, wegen dieser wird hier auch der Oberbegriff Kommutatormaschine verwendet.
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 (Windungen) 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:
| Formel | Einheit | Bezeichnung | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| 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) |
| Symbol | Einheit | Bezeichnung | Bemerkungen |
| 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 | Teilweise auch mit der populären Grösse kv [V/(U/min)]. Beispiel: 1000 kv = 1 V bei 1000 U/min, entspricht einem Ψ von 104.7 Vs |
| 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.
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.
