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Auf der Suche nach einem passenden Elektromotor für das nächste Bastelprojekt steht man schnell mal vor ungelösten Fragen:  Welchen Motortyp soll ich wählen? Welche Spannung brauche ich? Welche Leistung, wie kann ich die Drehzahl steuern und wie bin ich überhaupt auf diese blöde Idee mit dem Elektroantrieb gekommen?

Es ist wie bei der Partnerwahl: Die Vielfalt an Typen mit ihren verschiedenen Eigenschaften macht die Suche nicht einfacher, wenn man nicht wenigsten einen kleinen Überblick hat.  Nun, zumindest was Elektromotoren betrifft, kann man da was machen…

Die Suche nach einem geeigneten elektrischen Antrieb für ein Bastelprojekt ist natürlich einfacher, wenn man sich über die grundsätzlichen Eigenschaften der verschiedenen Motortypen im Klaren ist. Deshalb gebe ich in diesem Artikel einen Überblick über den prinzipiellen Aufbau von Gleichstrommotoren. Dabei geht es weder um die Erläuterung der physikalischen Hintergründe, noch um eine lückenlose Auflistung aller Motortypen. Denn gerade die Vielfalt erschwert es nämlich oft, den passenden Motortypen zu finden.

Der Gleichstrommotor – das Prinzip

Ein Gleichstrommotor wandelt elektrische in mechanische Energie um. Dies geschieht mit Hilfe der anziehenden und abstoßenden Wirkung magnetischer Felder. Ein magnetisches Feld wird durch einen Permanentmagnet oder eine stromdurchflossene Spule erzeugt. Mindestens eine solche Wicklung befindet sich auch in einem Elektromotor.

Diese Wicklung ist auf der drehbar gelagerten Antriebswelle im Inneren des Gleichstrommotors befestigt. Sie erzeugt das Magnetfeld des Ankers. Das ist der bewegliche Rotor des Elektromotors und der befindet sich wiederum innerhalb eines unbeweglichen Magnetfeldes. Dieses Magnetfeld wird auch Statorfeld genannt und wird im einfachsten Fall durch einen Permanentmagneten erzeugt. Durch die Abstoßung bzw. Anziehung zwischen Stator- und Rotorfeld wird auf die Antriebsachse ein Drehmoment übertragen. Durch diese Kraft wird die Achse in Drehung versetzt.

Für eine dauerhafte Drehbewegung muss die Polarität  des Rotorfeldes gewechselt werden. Bei vielen Motortypen geschieht dies durch einen „Kommutator“.  Das ist eine technische Vorrichtung, mit der die Spannung über kleine Metallbürsten auf die Spulenkontakte übertragen wird. Mit jeder halben Drehung kehrt der Kommutator die Polarität der Spulenspannung und damit des umgebenden magnetischen Feldes um.

Kenndaten von Elektromotoren

Die verschiedenen Typen von Elektromotoren unterscheiden sich in ihrem Aufbau und den elektrischen und mechanischen Leistungsdaten. Die Drehzahl, das Drehmoment, der Anschlusswiderstand und die Anschlussinduktivität sind weitgehend von der Art der Wicklung, der Zahl der Wicklungen und von der Dicke des Wicklungsdrahtes abhängig.

Deshalb geben die Hersteller neben thermischen und mechanischen Daten diese Kenndaten manchmal in den Datenblättern ihrer Produkte an. Anhand der Kenndaten von Elektromotoren lässt sich ermitteln, ob ein Motor für einen Einsatzzweck geeignet ist und welche technischen Vorkehrungen für den Betrieb getroffen werden müssen.

Auswahl geeigneter Motortypen

Durch den Vergleich  mehr oder weniger vorhandener Herstellerdaten lassen sich also leicht geeignete  Motoren finden, die den gestellten Anforderungen entsprechen. Viel schwieriger zu beantworten ist die Frage, wie denn die Anforderungen eigentlich aussehen.

Innerhalb welcher Belastungsgrenzen muss der Motor seinen Dienst verrichten? Ist eine Drehzahlregelung erforderlich, kommt es auf hohe Drehzahlen an, auf hohes Drehmoment oder andere Faktoren? Sie ahnen es wahrscheinlich schon: so ganz einfach  wird die Sache nicht.

Aber – zumindest im Hobbybereich wird längst nicht so heiß gegessen wie’s gekocht wird. Deshalb finden Sie am Ende des Artikels  eine Linkempfehlung. Auf der Seite finden Sie viele Informationen über Gleichstrommotor mit Beispielberechnungen  zur Dimensionierung und Beurteilung der Belastungsgrenzen. Vielleicht genügt Ihnen aber auch vorerst der folgende kurze Überblick über die wichtigsten Arten von Gleichstrommotor.

Ein grundsätzlicher Vorteil von Gleichstrommotoren ist, dass sie kurzzeitige Überlastungen ganz gut „wegstecken“ können. Außerdem sind sie sehr einfach anzusteuern und zu regeln, da die Drehzahl linear von der angelegten Spannung abhängt.

Bei den meisten Gleichstrommotoren ist die auf dem Rotor angebrachte Wicklung die Erregerwicklung.  Erreger- und Rotorwicklung können auf verschiedene Weise elektrisch verschaltet werden. Dabei unterscheidet man im wesentlichen folgende Schaltungen mit jeweils typischen Eigenschaften:

  • Permanent erregter Gleichstrommotor

    Wie der Name sagt, ist statt einer Erregerwicklung ein Permanentmagnet eingebaut. Bei kleinen Leistungen ist so ein kostengünstige Bauweise und auch ein besserer Wirkungsgrad möglich. Wegen des statischen Magnetfeldes ist allerdings der Drehzahlbereich eingeschränkt.

  • Reihenschlussmotor

    Rotor- und Erregerwicklung sind in Reihe geschaltet. Reihenschlussmotoren haben ein sehr hohes Anlaufdrehmoment und sind für die Beschleunigung großer Massen geeignet.  Wird der Motor ohne Last betrieben, ist eine Drehzahlregelung erforderlich, da die Leerlaufdrehzahl sonst bis zur Belastungsgrenze ansteigen und den Motor zerstören kann.

  • Nebenschlussmotor

    Hier werden Rotor- und Erregerwicklung parallel geschaltet. Ideal für eine spannungsgesteuerte Drehzahlregelung, denn die Drehzahl ist nahezu linear abhängig von der angelegten Spannung.

  • Doppelschlussmotor

    Eine Mischform der beiden vorhergehenden Schaltungen. Anlaufdrehmoment und Spannungslinearität sind je nach Anteil von Reihen- oder Parallelschaltung der Wicklungen mehr oder weniger ausgeprägt.

Hohe Einschaltströme

Bei laufendem Motor induziert der Rotor eine Gegenspannung, die der Betriebsspannung entgegen wirkt. Hierdurch wird auch die Stromstärke in der Spule begrenzt. Bei stehendem Motor ist keine Gegenspannung vorhanden. Bei permanent- und fremderregten Gleichstrommotoren können deshalb sehr hohe Einschaltströme auftreten, die unter Umständen durch einen Anlaufwiderstand begrenzt werden müssen.

Bürstenlose Gleichstrommotoren

Bürstenlose Gleichstrommotor benötigen keinen Kommutator, da hier statt der Rotorwicklung ein Permanentmagnet eingesetzt und meist eine dreiphasige Betriebsspannung an die Statorwicklungen geführt wird. Die Verschiebung der  einzelnen elektronisch erzeugten Spannungsphasen ruft ein rotierendes Magnetfeld hervor. Diese Motoren ähneln prinzipiell also den Drehstrommotoren.

Bei diesem Motortyp hängt die Drehzahl, wie beim Gleichstrommotor, linear von der Spannung ab. Sie lassen sich also ebenfalls sehr gut ansteuern. Allerdings ist hierzu eine eigene Steuerelektronik erforderlich.

Der Wirkungsgrad von bürstenlosen Gleichstrommotor ist etwas besser, weil die Energie für die Rotorwicklung eingespart wird. Ein solcher Motor ist insgesamt sehr wartungsfreundlich.

Bei hohen Leistungsanforderungen kommt noch ein weiterer Vorteil zum tragen: Da bei diesen Motoren die Erregerwicklungen außen im Gehäuse liegen und nicht innen auf dem Rotor, kann die entstehende Wärme schneller nach außen abgeführt werden.

Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung kann grundsätzlich über einen Vorwiderstand oder einen  Spannungsteiler vorgenommen werden. Allerdings ist diese einfache Lösung nicht zu empfehlen, da sich der Wirkungsgrad des Motors verschiebt und das Regelverhalten des Motors sehr „weich“ wird. Besser ist es, den Motor an einer regelbaren Spannungsversorgung zu betreiben.  Die oft kostengünstigsten Lösungen sind im Handel angebotene fertig aufgebaute Schaltungen oder Bausätze. Stichwort: Pulsweitenmodulation (PWM).

Weitere Informationen:

Unter folgendem Link finden Sie viele Infos über Elektromotoren und ihre Verwendung. Speziell der Artikel über die Auswahl von Elektromotoren ist empfehlenswert, da dort beispielhaft erläutert wird,  welche physikalischen Größen für die Beurteilung und Planung von Motordaten wichtig sind.

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