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Ein Gleichstrommotor kann Gleichstrom stabil in mechanische Rotationsenergie umwandeln. Dies geschieht hauptsächlich durch eine spezielle Konstruktion, die das Problem des durch Gleichstrom erzeugten „unidirektionalen Magnetfelds“ löst. Ein Kommutator sorgt für eine gleichbleibende Richtung der Rotorkraft. Der Motor arbeitet mit drei Kernkomponenten – Stator, Rotor und Kommutator – sowie zwei Schlüsselprozessen: gerichtete elektromagnetische Kraftwirkung und mechanische Kommutierung. Das Prinzip lässt sich in die folgenden drei Teile unterteilen:
1. Kernkomponenten: Aufbau des „Strukturrahmens“ für die Richtungskraft
Der strukturelle Aufbau eines Gleichstrommotors ist auf die Notwendigkeit einer „kontinuierlichen Rotation“ ausgerichtet, wobei jede der drei Komponenten einem bestimmten Zweck dient:
- Stator: Als feststehender Teil des Motors besteht er hauptsächlich aus Hauptmagnetpolen, einem Rahmen und Bürsten. Die Hauptmagnetpole sind üblicherweise mit Feldwicklungen umwickelt; wenn Gleichstrom durch sie fließt, entsteht ein konstantes Magnetfeld (mit abwechselnden Nord- und Südpolen), das eine Umgebung für die Krafteinwirkung auf den Rotor schafft. Die Bürsten sind am Rahmen befestigt – ein Ende ist mit einer externen Gleichstromversorgung verbunden, das andere Ende steht in Kontakt mit dem Kommutator des Rotors, der für die Stromübertragung zum Rotor zuständig ist.
- Rotor (Anker): Befindet sich im Magnetfeld des Stators, kann sich um die Motorwelle drehen und besteht aus einem Ankerkern und Ankerwicklungen. Der Ankerkern wird durch Stapeln von Siliziumstahlblechen hergestellt, um Wirbelstromverluste zu reduzieren. Die Ankerwicklungen sind nach einem bestimmten Muster in die Nuten des Kerns gewickelt und dienen als Kernkomponente zur Erzeugung elektromagnetischer Kraft durch die Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetfeld.
- Kommutator: Eine „Schlüsselinnovation“ von Gleichstrommotoren. Er ist auf der Rotorwelle befestigt und mit beiden Enden der Ankerwicklungen verbunden. Er besteht aus mehreren isolierten Kupfersegmenten (die Anzahl der Kupfersegmente entspricht der Anzahl der Windungen in den Ankerwicklungen). Er fungiert als „Stromrichtungswandler“ und ändert die Stromrichtung in den Ankerwicklungen in Echtzeit durch Schleifkontakt mit den Bürsten.
2. Betriebsmechanismus: Die „Kernlogik“ zur Erzielung einer kontinuierlichen Rotation
Die Drehung eines Gleichstrommotors hängt von der Synergie zwischen „elektromagnetischer Krafterzeugung“ und „Kommutatoreinstellung“ ab, wobei der spezifische Prozess in zwei Schritte unterteilt ist:
- Gerichtete Erzeugung elektromagnetischer Kräfte: Fließt externer Gleichstrom über die Bürsten in den Kommutator und dann in die Ankerwicklungen, erfahren die Leiter der Ankerwicklungen – die sich im konstanten Magnetfeld des Stators befinden – eine elektromagnetische Kraft gemäß Flemings Linkshandregel. Beispielsweise erfahren Leiter unterhalb des Nordpols des Stators eine Kraft nach rechts, während Leiter unterhalb des Südpols eine Kraft nach links erfahren. Zusammen bilden diese Kräfte ein elektromagnetisches Drehmoment, das den Rotor im Uhrzeigersinn rotieren lässt.
- Kommutierungsfunktion des Kommutators: Wenn sich der Rotor bis zu dem Punkt dreht, an dem „die Leiter der Ankerwicklungen die Mittellinie der magnetischen Pole des Stators kreuzen“, kehrt sich bei unveränderter Stromrichtung die Richtung des auf die Leiter wirkenden Magnetfelds um, wodurch sich die Richtung der elektromagnetischen Kraft umkehrt und eine kontinuierliche Drehung des Rotors verhindert wird. An diesem Punkt dreht sich der Kommutator synchron mit dem Rotor. Durch das Umschalten des Kontakts zwischen den Kupfersegmenten und den Bürsten kehrt er die Stromrichtung im Leiter präzise um – der ursprünglich fließende Strom fließt nun heraus – und behält dabei die gleiche Richtung der elektromagnetischen Kraft bei (der Rotor dreht sich weiterhin im Uhrzeigersinn). Dieser Zyklus wiederholt sich: Bei jeder 180°-Drehung des Rotors passt der Kommutator die Stromrichtung einmal an und stellt so sicher, dass der Rotor immer ein elektromagnetisches Drehmoment in die gleiche Richtung erhält und eine kontinuierliche Drehung ermöglicht wird.
3. Praktische Bedeutung des Prinzips: Bestimmung der Leistung und Anwendungen von Gleichstrommotoren
Dieses Grundprinzip verleiht Gleichstrommotoren einzigartige Vorteile: Durch Einstellen der Ankerspannung oder des Feldstroms lässt sich problemlos eine gleichmäßige Drehzahlregelung (z. B. eine kontinuierliche Änderung von niedriger zu hoher Drehzahl) erreichen. Darüber hinaus verfügen sie über ein hohes Anlaufdrehmoment, sodass sie auch Schwerlastgeräte starten können. Daher werden Gleichstrommotoren häufig in Szenarien eingesetzt, in denen eine hochpräzise Drehzahlregelung erforderlich ist, beispielsweise als Spindelantriebe für Werkzeugmaschinen und Aufzugsantriebsmaschinen in der Industrie, als Antriebssysteme für herkömmliche Elektrofahrzeuge im Transportsektor sowie als Elektrowerkzeuge und Laufbandmotoren in Haushaltsgeräten. Aufgrund der mechanischen Reibung zwischen Kommutator und Bürsten sind Gleichstrommotoren jedoch im Vergleich zu Wechselstrommotoren relativ wartungsintensiv und haben eine kürzere Lebensdauer. Dies hat auch die Entwicklung bürstenloser Gleichstrommotoren (die eine elektronische statt einer mechanischen Kommutierung verwenden) vorangetrieben.
