ENGleichstrommotoren
Elektromotoren können nach Art der Spannungsversorgung unterschieden werden in Gleichstrommotoren (DC-Motoren) und Wechselstrommotoren (AC- Motor, Drehstrommotoren). Servomotoren sind im Prinzip Sondermotoren, welche sowohl AC als auch DC sein können und mit integrierter Regelung daherkommen. Unter DC-Motoren versteht man in der Regel fremd-, elektrisch, oder permanenterregte bürstenbehaftet Gleichstrommotoren.
Ein Überblick über die Gleichstrommotoren bei EPH:
DC-Motoren
Die DC-Motoren des Herstellers Doga sind permanenterregte bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Als reine DC-Motoren ohne zusätzliches Getriebe fungieren die Baureihen 162, 168, 169, 269, 321.
DC-Getriebemotoren
Wenn bei den DC-Motoren ein zusätzliches Getriebe zur Unter- oder Übersetzung von Drehzahl und Drehmoment vorhanden ist spricht man von DC-Getriebemotoren. Mit den Baureihen 111, 258, 311, 316, 317, 319, 359 bieten wir DC-Getriebemotoren mit Schneckengetriebe in robuster Ausführung und einer Dichtigkeitsklasse bis IP69K an. Bei den Baureihen 162P, 168P, 169P, 269P handelt es sich um DC-Motoren mit Planetengetriebe. Mehr Informationen finden Sie hier.
Doga
Doga Motoren sind permanenterregte bürstenbehaftete Gleichstrommotoren welche für den industriellen Einsatz im Leistungsbereich 300 W, Nennspannung von 12 – 72 V und einem Drehmoment bis 30 Nm konzipiert sind. Kundenspezifische Anpassungen und Sondermotoren sind bereits bei kleinen Stückzahlen möglich. Die Bandbreite möglicher Anpassungen erstreckt sich dabei über ein alternatives Wellenende oder einen geänderten Anschluss über eine individuelle Wicklung bis hin zum komplett kundenspezifischen Motor.
35 Jahre Erfahrung in Leistungs- und Antriebselektronik
Gleichstrommotoren - das Herzstück der elektronischen Antriebstechnik
Ein Gleichstrommotor ist ein rotierender Elektromotor, dessen Aufgabe in der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie besteht. Somit ist er für elektronische Antriebe ein unverzichtbarer Bestandteil. Von bürstenlos bis bürstenbehaftet und in zahlreichen Ausführungen erhältlich, kommen Gleichstrommotoren in den verschiedensten Anwendungsbereichen und Branchen zum Einsatz.
In diesem Artikel gibt EPH elektronik, ihr dynamischer Partner rund um die elektronische Antriebstechnik, einen umfassenden Überblick zum Thema Gleichstrommotor, seiner Funktionsweise, verschiedenen Varianten sowie Anwendungspotentialen.
Gleichstrommotoren - eine kurze Zusammenfassung
Ein Gleichstrommotor ist ein Gerät, das eine mechanische Drehbewegung durch das Prinzip der Energieumwandlung erzeugt. Hierfür benötigt der Motor eine Zufuhr von Gleichstrom, auch direct current genannt. Abgeleitet von der englischen Bezeichnung für Gleichstrom wird der Gleichstrommotor häufig auch als DC-Motor bezeichnet.
Als Grundlage für die Funktionsweise des Gleichstrommotors dienen dabei Magnetfelder, die durch den Stromfluss entstehen und einen auf einer Motorwelle positionierten Rotor zum Drehen bringen. Das Drehmoment sowie die Drehzahl des Antriebs lassen sich durch den Eingangsstrom und die Eingangsspannung steuern, hängen aber auch von der Konstruktionsweise des Gleichstrommotors ab.
Auch wenn Gleichstrommotoren in den verschiedensten Größen und Varianten sowie mit unterschiedlicher Leistung vom Kleinmotor für Haushaltsgeräte bis zum leistungsfähigen Motor für Industrieanlagen erhältlich sind, bleibt ihr Funktionsprinzip stets dasselbe. Das Hauptmerkmal, die Umwandlung von elektrischer Energie, welche in Form von Gleichstrom zugeführt wird, in eine mechanische Rotation, haben alle Gleichstrommotoren gemeinsam.
Gleichstrommotor - Aufbau und Funktionsweise im Überblick
Doch wie genau funktioniert die Energieumwandlung in einem Gleichstrommotor? Um dies zu verstehen, müssen wir zunächst einen Blick auf den Aufbau des Gleichstrommotors werfen. Gleichstrommotoren bestehen grob gesagt aus zwei Komponenten, einem als Stator bezeichneten Feldmagneten sowie einem Anker, der auch als Rotor bezeichnet wird. Während der Stator der unbewegliche Teil des Motors ist, zeichnet sich der Rotor durch seine Drehbarkeit aus. Um die mechanische Drehbewegung zu erzeugen, bedarf es eines ineinandergreifenden Zusammenspiels beider Magnetfelder. Das vom Stator generierte Magnetfeld sorgt schließlich dafür, dass der Anker in eine Drehbewegung versetzt wird, welche wiederum der Ausgangspunkt für weitere Prozesse in der Maschine ist.
Der Aufbau eines permanenterregten DC-Motors ist besonders gut durchdacht, sodass eine optimale Funktionsweise erreicht wird. Jeder Gleichstrommotor besteht aus einem Satz an unbeweglichen Magneten sowie einer Drahtspule, durch die ein elektrischer Gleichstrom fließt. Auf diese Weise wird ein elektromagnetisches Feld im Spulenkern erzeugt, welches durch eine oder mehrere Wicklungen von isoliertem Draht um den Kern des Motors herum verstärkt und konzentriert wird. Diese Wicklungen sind zudem an einen sogenannten Kommutator angeschlossen, welcher ihnen einen elektrischen Strom zuführt. Dieser hat die Aufgabe, die Polung der beiden Magnete in Nord und Süd bei jeder halben Drehung des Rotors umzukehren. Ohne diesen als Polwendung bezeichneten Prozess käme kein durchgängiges Drehen des Gleichstrommotors in eine gleichbleibende Richtung zustande.
Der Kommutator erregt anschließend die beweglich gelagerten Ankerspulen, woraus eine gleichmäßige Rotation mit konstantem Drehmoment resultiert. Werden die beiden Spulen nacheinander ein- und ausgeschaltet, wird ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. Dieses interagiert mit den stationären, fest installierten Feldmagneten im Stator und erzeugt auf diese Weise ein Drehmoment, das eine Rotation des Rotors auslöst. Diese wechselseitige Funktionsweise ermöglicht die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Die im Gleichstrommotor entstehende Drehbewegung kann schließlich zum Antrieb von Objekten beliebiger Art genutzt werden.
Von Heizungspumpen bis E-Mobility - Einsatzgebiete für Gleichstrommotoren
Ihre Fähigkeit, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und auf diese Weise eine steuerbare Drehbewegung zu erzeugen, macht Gleichstrommotoren für die verschiedensten industriellen, aber auch häuslichen Anwendungsbereiche wie z.B. Heizungspumpen interessant.
Ein aktuell prominentes Anwendungsgebiet von Gleichstrommotoren ist die Elektromobilität. Zwar kommen bei Elektroautos und Elektrobussen AC-Servomotoren zum Einsatz, allerdings werden aus Gründen der Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit bürstenlose Motoren (EC-Motoren) in E-Bikes und E-Scootern verwendet.
Die wichtigsten Anwendungsbereiche von Gleichstrommotoren liegen jedoch im industriellen Umfeld. So sind Gleichstrommotoren elementare Bestandteile bei Anwendungen im Aussetzbetrieb im Maschinen- und Anlagenbau, bei Elektrogeräten oder auch Werkzeugmaschinen. Die einfach regulierbare Drehzahl und das zuverlässige Ansprechverhalten sind hierbei Aspekte, die den Gleichstrommotor als Bestandteil eines elektronischen Antriebs zur Lösung der Wahl machen. Auch die Wirtschaftlichkeit und Kosteneffizienz günstiger bürstenloser Gleichstrommotoren war eine Entwicklung, die dem Einsatz im industriellen Kontext zugutekam. Speziell aufgrund der fehlenden Kohlebürsten können die Wartungskosten des elektronischen Antriebs bei bürstenlosen Gleichstrommotoren entscheidend minimiert werden.
Ein weiterer Bereich, in den der Gleichstrommotor Einzug erhalten hat, ist die industrielle Robotik. Ob in Produktionsstätten oder in Laboren – Industrieroboter und Roboterarme werden häufig mit Gleichstrommotoren ausgestattet, um die Bewegungskomponenten der robotischen Anlage in Gang zu setzen. Die hohe Effizienz und das hohe Drehmoment machen die Elektromotoren zu den perfekten Komponenten für den Einsatz in der Robotik.
Die Geschichte von Gleichstrommotoren - ein Blick in die Vergangenheit
Doch wie, wann und durch wen kam es historisch zur Entwicklung von Gleichstrommotoren? Gleichstrommotoren wurden in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts an verschiedenen Orten der Welt zeitgleich und unabhängig voneinander entwickelt. Der US-Amerikaner Thomas Davenport ist der bekannteste von ihnen, schließlich ließ er den Gleichstrommotor im Jahr 1837 erstmals patentieren. Doch auch schon einige Jahre zuvor hatten europäische Ingenieure eigene, teils leistungsstärkere Varianten des Gleichstrommotors entwickelt. Zu ihnen zählt Moritz Jacobi, dessen Erfindung aus dem Jahre 1834 dem patentierten Gleichstrommotor Davenports in Sachen Leistungsfähigkeit klar überlegen war.
Mit einem kleinen elektrischen Fahrzeug entwickelten die Ingenieure Sibrandus Stratingh und Christopher Becker im Jahr 1835 erstmals eine Anwendung für Elektromotoren. Doch bis der DC-Motor alltagstauglich wurde, dauerte es noch rund ein halbes Jahrhundert. Der Durchbruch gelang Frank Julian Sprague im Jahr 1886, woraufhin die erste elektrisch angetriebene Straßenbahn sowie die Inbetriebnahme des ersten elektrischen Aufzugs nicht lange auf sich warten ließen. Vom Alltag bis hin zur industriellen Fertigung setzte die Weiterentwicklung von Gleichstrommotoren Maßstäbe und schaffte völlig neue Anwendungen, die mit Effizienz und Zuverlässigkeit überzeugen konnten.
Gleichstrommotoren - verschiedene Varianten für verschiedene Anwendungen
Zwar verfügt jeder Gleichstrommotor über eine Funktionsweise, die sich im Grundlegenden nicht voneinander unterscheidet. Dennoch gibt es verschiedenste Konstruktionen und Ausführungen mit unterschiedlichen Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen. Die verschiedenen Varianten des Gleichstrommotors unterscheiden sich in ihrem Aufbau, ihrer Leistungsstärke sowie ihren Herstellungs- und Betriebskosten und eignen sich daher jeweils für eine bestimmte Art von Anwendungen.
So gibt es bürstenbehaftete DC-Motoren, bürstenlose Varianten sowie Nebenschluss- und Reihenschlussmotoren. Eine besondere Variante des Gleichstrommotors ist auch der DC-Getriebemotor, welcher über ein zusätzliches Getriebe zur Unter- oder Übersetzung von Drehzahl und Drehmoment verfügt. Die Experten aus dem Hause EPH elektronik beraten Sie dazu, welcher DC-Motor für Ihre Anforderungen am besten geeignet ist. In den folgenden Abschnitten geben wir Ihnen zudem einen ersten Einblick in die verschiedenen Varianten an Gleichstrommotoren.
Bürstenbehaftet oder bürstenlos - der feine Unterschied
Ausgehend von ihrem Aufbau können DC-Motoren in zwei Kategorien, die bürstenbehafteten und die bürstenlosen Gleichstrommotoren, eingeteilt werden. Der klassische Gleichstrommotor ist dabei eine bürstenbehaftete Ausführung, welche bereits Gegenstand des Patents von Frank Julian Sprague war. Er verfügt über einen Kommutator, der mit speziellen Schleifkontakten, den sogenannten Bürsten, ausgestattet ist und der Funktion dient, die Stromrichtung alle 180 Grad, sprich jede halbe Umdrehung, umzupolen. Auf diese Weise erzeugt der bürstenbehaftete DC-Motor ein unidirektionales Drehmoment.
Einfach gesagt sorgen die Bürsten also dafür, dass der Motor stets in eine gleichbleibende Richtung rotiert. Die Geschwindigkeit dieser durch die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie erzeugten Drehbewegung kann über Variablen wie die Betriebsspannung der Stromquelle oder die magnetische Feldstärke angepasst werden.
Der bürstenlose Gleichstrommotor, auch als BLDC oder EC-Motor bezeichnet, unterscheidet sich vom Funktionsprinzip eines klassischen Gleichstrommotors. Er ist vielmehr wie eine Drehstrom-Synchronmaschine aufgebaut, die auf einer halbleiterbasierten Solid State Technologie beruht. Bürstenlose Elektromotoren erzeugen das Drehmoment anders als bürstenbehaftete DC-Motoren durch die Umkehrung der Pole der fest verbauten Feldmagneten im Stator sowie den sich drehenden Magneten am Rotor. Dabei handelt es sich bei einer der beiden Komponenten stets um einen Elektromagnet, welcher aus einer Drahtspule sowie einem Eisenkern aufgebaut ist.
Im Gegensatz zu anderen Gleichstrommotoren ist der BLDC Motor mit einem elektronischen Servomechanismus anstelle des Kommutators ausgestattet. Dabei kommt ein spezieller Sensor zum Einsatz, welcher die Winkelposition des Rotors erkennt. Anschließend kehrt entweder ein Halbleiterschalter die Richtung des elektrischen Stroms um oder schaltet ihn zum genau richtigen Zeitpunkt in der Drehbewegung aus. Auf diese Weise kann das Drehmoment in eine gleichbleibende Richtung erzeugt werden.
Das Fehlen der Kommutatoren sorgt dafür, dass die Schleifkontakte, die sogenannten Bürsten, ebenfalls obsolet werden. Somit sind bürstenlose Gleichstrommotoren deutlich weniger anfällig für Verschleiß als ihre bürstenbehafteten Gegenspieler. Gleichzeitig zeichnen sie sich auch durch einen hohen Sicherheitsstandard aus. Somit stellen sie eine effizientere Alternative zum klassischen, bürstenbehafteten Gleichstrommotor dar, welcher jedoch in vielen Bereichen der Industrie weiterhin genutzt wird. Bürstenlose Motoren kommen häufig bei Anwendungen im Dauerbetrieb zum Einsatz, bürstenbehaftete Motoren sind per Definition für Anwendungen im Aussetzbetrieb geeignet.
Bürstenbehaftete DC Motoren von Nebenschluss - bis Permanentmagnet Bürstenmotor
Unter den klassischen, bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, welche mit einem Kommutator ausgestattet sind, wird wiederum zwischen verschiedenen Arten unterschieden. Diese verfügen jeweils über verschiedene Verbindungen zum Anker. Die wichtigsten Ausführungen bürstenbehafteter Gleichstrommotoren sind der Reihenschluss– und der Nebenschluss-Motor. Auch der Doppelschlussmotor und der Permanentmagnet Bürstenmotor sind wichtige Varianten des bürstenbehafteten Gleichstrommotors, die in der elektronischen Antriebstechnik regelmäßig zur Anwendung kommen.
Der Nebenschlussmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er über parallel geschaltete Spulen von Stator und Rotor verfügt. Dadurch ist es möglich, dass der Gleichstrommotor nicht wie üblich mit zwei, sondern mit nur einer einzigen Spannungsquelle mit elektrischem Strom versorgt wird. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass diese Art des DC-Motors mit einer konstanten Drehzahl belastungsunabhängig läuft. Somit eignen sich Nebenschlussmotoren bestens für Anwendungen mit schwankendem Lastmoment, die aber dennoch eine möglichst konstante Drehzahl des Elektromotors erfordern.
Das Gegenstück zu dieser Variante des Gleichstrommotors ist der Reihenschlussmotor, dessen Stator- und Rotorspulen in Reihe geschaltet sind. Eine konstante Drehzahl kann dadurch nicht erreicht werden, vielmehr variiert sie lastenbedingt. Dadurch ist er die ideale Wahl, wenn eine Anwendung ein hohes Anfahrmoment erfordert, das Nenndrehmoment jedoch gering ist. Auch als Universalmotor bekannt, kann der Reihenschlussmotor nicht nur mit Gleichstrom betrieben werden, sondern auch als Wechselstrommotor eingesetzt werden. Ein relevanter Nachteil dieser Form des Elektromotors besteht jedoch darin, dass er aufgrund der variablen Drehzahl kurzzeitig deutlich überlastet werden kann.
Eine weitere Variante des Gleichstrommotors ist der Doppelschlussmotor, welcher in gewisser Weise eine Hybridversion aus Neben- und Reihenschluss-Motor darstellt. Aus diesem Grund wird er häufig auch als Verbund- oder Kompoundmotor bezeichnet, schließlich ist in ihm sowohl eine Reihenschluss- also auch eine Nebenschlusswicklung verbaut. Während sein Anlaufdrehmoment geringer ist als das des Reihenschlussmotors, sinkt die Drehzahl bei Belastung weiter ab als es beim Nebenschlussmotor der Fall ist. Somit eignet sich der Doppelschlussmotor bestens für Anwendungen mit hohem Anlaufmoment, bei denen dennoch eine möglichst konstante Drehzahl gewünscht ist.
Nicht zuletzt stellt der Permanentmagnet Bürstenmotor eine weitere Variante von Gleichstrommotoren dar. Dieser nutzt in seinem Statorfeld keinen Elektro- sondern einen Permanentmagneten und versorgt ebenso wie der Nebenschlussmotor den Rotor über einen Kommutator mit elektrischem Strom. Ähnlich wie der Doppelschlussmotor zeichnet sich der Permanentmagnet Bürstenmotor durch eine konstante Drehzahl sowie ein hohes Anlaufmoment aus. Der entscheidende Vorteil besteht hierbei in der Energieeffizienz, schließlich muss das Statorfeld nicht elektrisch erzeugt werden.
EPH elektronik - der Spezialist rund um Gleichstrommotoren
Als Experten im Bereich der elektronischen Antriebstechnik entwickeln wir maßgeschneiderte Antriebslösungen für unsere Kunden. Hierbei nehmen Gleichstrommotoren einen großen Stellenwert ein, schließlich sind sie elementarer Bestandteil elektronischer Antriebslösungen. Die Dienstleistungen von EPH elektronik reichen von der Auswahl der passenden Motoren und zugehörigen Regelgeräten über kundenspezifische Anpassungen bis hin zu vollständig kundenspezifischen Steuergeräten. Als Spezialisten im Bereich der Antriebstechnik mit eigener Elektronikfertigung inkl. SMD- & THT-Bestückung sind wir Ihr Partner über den gesamten Lebenszyklus Ihrer Projekte.
Wenn Sie für Ihr Projekt Unterstützung rund um Gleichstrommotoren benötigen, ist EPH elektronik genau der richtige Partner. Nehmen Sie Kontakt zu unserem kompetenten Team auf, um einen unverbindlichen Beratungstermin zu vereinbaren. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage.