Eine Gleichstrommaschine, auch Gleichstrommotor, Kommutatormotor oder Kommutatormaschine, ist eine rotierende elektrische Maschine, die mit Gleichstrom betrieben wird oder Gleichstrom erzeugt. Je nach Richtung des Leistungsflusses wird zwischen dem Gleichstrommotor (ein Elektromotor, dem elektrische Energie zugeführt und mechanische Energie entnommen wird) und dem Gleichstromgenerator (ein elektrischer Generator, dem mechanische Energie zugeführt und elektrische Energie entnommen wird) unterschieden. Gleichstrommaschinen können unter Belastung anlaufen, und ihre Drehzahl ist leicht zu verändern.

Merkmal der klassischen Gleichstrommaschinen ist ein als Kommutator oder Polwender bezeichneter mechanischer Wechselrichter. Mit dessen Hilfe wird im Motorbetrieb im Rotor ein drehzahlabhängiger Wechselstrom erzeugt. Im Generatorbetrieb wandelt er die vom Rotor gelieferte Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um.

Es gibt auch Anwendungsfälle, in denen dieselbe Gleichstrommaschine zeitweise als Motor und zeitweise als Generator benutzt wird.

Eine Sonderform ist die Unipolarmaschine, mit der Gleichstrom ohne Verwendung eines Kommutators erzeugt werden kann.

Geschichte

Begünstigt durch die Entwicklung der ersten galvanischen Elemente in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts, waren die ersten elektromechanischen Energiewandler Gleichstrommaschinen. Die Urform eines Elektromotors wurde 1829 von Ányos Jedlik entworfen. Im Jahr 1832 baute der Franzose Hippolyte Pixii den ersten Gleichstromgenerator. Antonio Pacinotti baute um 1860 einen Gleichstrommotor mit vielteiligem Kommutator. Friedrich von Hefner-Alteneck entwickelte 1872 den Trommelanker, welcher mit den Arbeiten von Werner von Siemens zu dem dynamoelektrischen Prinzip die Möglichkeit der Selbsterregung und den industriellen Einsatz im Bereich des Großmaschinenbaus eröffnete.

In den folgenden Jahrzehnten verlor die Gleichstrommaschine, bedingt durch die Entwicklung des Dreiphasenwechselstroms, im Großmaschinenbau an Bedeutung. Insbesondere die Synchronmaschinen und für wartungsarme Antriebssysteme der Asynchronmotor lösten die Gleichstrommaschine in vielen Anwendungsbereichen ab. Die Gleichstrommaschine mit Fremderregung lässt sich gut regeln, denn die Ströme durch Anker- und Statorwicklung lassen sich getrennt steuern. Die Gleichstrommaschine hat daher insbesondere im Bereich hochdynamischer Antriebssysteme eine gewisse Bedeutung behalten, beispielsweise zum Antrieb von Werkzeugmaschinen mit präziser Drehzahl- und Drehmomentsteuerung. Im Kleinstleistungsbereich, beispielsweise bei Modellbahnen, ist vor allem der permanenterregte Gleichstrommotor des einfachen Aufbaues wegen üblich.

Aufbau

Die Maschine hat einen unbeweglichen Teil, den Stator. Er besteht aus einem Joch in Form eines Hohlzylinders. Daran befestigt sind die Hauptpole und bei größeren Maschinen auch Wendepole. Der Stator ist nicht geblecht, sondern besteht aus massivem Material, da hier kein magnetisches Wechselfeld wirkt und somit keine Wirbelströme auftreten. Der Hauptpolkern trägt entweder die Hauptpol- oder Erregerwicklung, oder Permanentmagnete erzeugen den nötigen Hauptpolfluss (permanenterregte Maschine). In den Polschuhen sitzt bei größeren Maschinen die Kompensationswicklung.

Der drehbar gelagerte Teil der Gleichstrommaschine heißt Rotor oder bei konventionellen Maschinen auch Anker. Der Rotor ist geblecht ausgeführt, da sonst durch die auftretenden Ummagnetisierungen große Wirbelstromverluste auftreten würden. Die meisten Gleichstrommaschinen sind als Innenläufer ausgeführt: Der Rotor ist der innere Teil, der Stator der äußere. Bei Außenläufern ist es umgekehrt.

Eine oder mehrere Spulen auf dem Anker werden in einem magnetischen Feld des Stators so platziert, dass die Lorentzkraft und teils auch die Reluktanzkraft ein Drehmoment erzeugt. Die Wicklungen des Ankers werden hierzu über einen Kommutator (Polwender) angeschlossen. Die Schleifkontakte am Kommutator (Metallbürsten oder Kohle„bürsten“) wechseln während der Drehung die Polung der Ankerwicklungen so, dass immer diejenigen Wicklungen von Strom entsprechender Richtung durchflossen werden, die sich quer zum Erregerfeld bewegen. An den Bürsten ist eine pulsierende Gleichspannung abgreifbar. Durch mehrere räumlich versetzte Windungsschleifen (Wicklungen) erhält man eine Glättung des Spannungsverlaufs.

Die Bürsten bestehen aus einem Material, das eine verschleißarme gute Kontaktierung bietet (oft selbstschmierender Graphit, teilweise gemischt mit Kupferpulver (siehe Kohlebürste); bei kleinen Motoren, etwa für Kassettentonbandgeräte, auch Edelmetall-Bürsten).

Durch Umkehrung des Prinzips (der Anker wird von außen bewegt) erhält man einen Generator. Zur Stromerzeugung werden fast nur permanent- oder fremderregte Bauweisen benutzt. Der Kommutator wandelt den erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom.

Das allgemeine Motorverhalten wird durch die Feldstärke der Feldwicklung und die Eigenschaften der Ankerwicklung (Windungszahl, Anzahl der Pole) bestimmt.

Physikalisches Modell

Unter Vorgabe des Verbraucher-Zählpfeil-Systems (wie z. B. beim Ohmschen Gesetz vorausgesetzt) gilt

${\displaystyle L_{A}{\frac {\mathrm {d} i_{A}(t)}{\mathrm {d} t}}=-R_{A}\ i_{A}(t)-U_{\mathrm {ind} }+U_{A}\qquad {\text{(1)}}}$

Setzt man den Strom als zeitlich konstant voraus ${\displaystyle {\tfrac {\mathrm {d} i_{A}(t)}{\mathrm {d} t}}=0}$, folgt

${\displaystyle 0=-R_{A}\cdot i_{A}-U_{\mathrm {ind} }+U_{A}\quad {\text{bzw.}}\quad U_{A}=R_{A}\cdot i_{A}+U_{\mathrm {ind} }}$

Berücksichtigt man zusätzlich das Induktionsgesetz, wird daraus

${\displaystyle U_{A}=R_{A}\cdot i_{A}+k_{2}\cdot \phi \cdot 2\pi n\qquad {\text{(1a)}}}$

Diese Gleichung lässt sich wie folgt deuten:
Für konstantes ${\displaystyle U_{A}}$ und dem in der Praxis kleinen ${\displaystyle R_{A}}$ ist die induzierte Spannung ${\displaystyle U_{\mathrm {ind} }}$ unwesentlich kleiner als ${\displaystyle U_{A}}$. Damit ist bei konstantem Fluss ${\displaystyle \phi \,}$ n ungefähr proportional der Ankerspannung. Im Bereich ${\displaystyle -U_{\mathrm {nenn} }<U_{A}<U_{\mathrm {nenn} }}$ ist damit die Drehzahl über die Ankerspannung steuerbar. Man spricht vom Ankerstellbereich. Für den Fall ${\displaystyle U_{A}=U_{\mathrm {nenn} }}$ und ${\displaystyle n=n_{\mathrm {nenn} }}$ spricht man vom Typenpunkt. Oberhalb des Typenpunktes ist bei konstanter Ankerspannung ${\displaystyle U_{A}}$ eine Drehzahlsteigerung durch eine Verringerung des magnetischen Flusses ${\displaystyle \phi \,}$ über eine Verringerung des Erregerstromes möglich (Feldschwächbereich). Hierbei sind jedoch einige Randbedingungen zu beachten. Die Drehzahl darf einen zugelassenen Maximalwert nicht überschreiten. Wegen der Wirkung der Lorentzkraft gilt ${\displaystyle M=k_{1}\cdot \phi \cdot I_{A}}$ und folglich wird das zulässige Drehmoment M proportional mit ${\displaystyle \phi \,}$ kleiner.

${\displaystyle L_{E}{\frac {\mathrm {d} i_{E}}{\mathrm {d} t}}=-R_{E}\ i_{E}+u_{E}\qquad {\text{(2)}}}$

${\displaystyle u_{\mathrm {ind} }=c_{A}\cdot \psi _{E}\cdot \omega }$

${\displaystyle \psi _{E}={\frac {1}{N_{E}}}L_{E}\ i_{E}}$

Darin ist

${\displaystyle i_{A}\,}$ der Ankerstrom, ${\displaystyle u_{A}\,}$ die Ankerspannung, ${\displaystyle R_{A}\,}$ der Wicklungswiderstand, ${\displaystyle L_{A}\,}$ die Induktivität der Ankerwicklung, ${\displaystyle u_{E}\,}$ die Erregerspannung, ${\displaystyle i_{E}\ }$ der Erregerstrom, der Wicklungswiderstand ${\displaystyle R_{E}\ }$ und die Induktivität ${\displaystyle L_{E}\,}$ der Erregerwicklung, ${\displaystyle \omega \,}$ die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, ${\displaystyle u_{\mathrm {ind} }\ }$ die im Anker induzierte Spannung, ${\displaystyle \psi _{E}\ }$ der Erregerfluss, ${\displaystyle \phi \,}$ der Luftspaltfluss, ${\displaystyle n\,}$ die Drehzahl, ${\displaystyle M\,}$ das Drehmoment, ${\displaystyle k_{1}\,}$ und ${\displaystyle k_{2}\,}$ je eine Maschinenkonstante.

Die Gleichungen des mechanischen Systems mit der Annahme, dass der Erregerkreis nicht gesättigt ist:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} \alpha }{dt}}=\omega \qquad {\text{(3)}}}$

${\displaystyle J{\frac {\mathrm {d} \omega }{dt}}=c_{A}\ \psi _{E}\ i_{A}-\tau _{L}\qquad {\text{(4)}}}$

Darin ist

${\displaystyle N_{E}\,}$ – die Anzahl der Windungen der Erregerwicklung, ${\displaystyle J\,}$ das Massenträgheitsmoment des Ankers und aller damit starr verbundenen Massen, ${\displaystyle \alpha \,}$ der Drehwinkel des Ankers, ${\displaystyle \omega \,}$ die Winkelgeschwindigkeit des Ankers, ${\displaystyle \tau _{L}\,}$ die Summe aller Lastmomente am Anker. ${\displaystyle c_{A}\,}$ bezeichnet die sog. Maschinenkonstante.

Einige Gleichungen anders angeschrieben:

${\displaystyle U_{A}=I_{A}\cdot R_{A}+L_{A}\cdot {\frac {dI_{A}}{dt}}+U_{q}}$

${\displaystyle U_{E}=I_{E}\cdot R_{E}+L_{E}\cdot {\frac {dI_{E}}{dt}}}$

${\displaystyle U_{q}=c\cdot n\cdot \Phi (I_{E})}$

dabei ist:

${\displaystyle U_{A}\,}$: Ankerspannung

${\displaystyle U_{E}\,}$: Erregerspannung

${\displaystyle U_{q}\,}$: induzierte Spannung

${\displaystyle c}$: Maschinenkonstante

${\displaystyle \Phi }$: magnetischer Fluss des Hauptfeldes

Literatur

• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14. Auflage. Hanser, 2009, ISBN 978-3-446-41754-0. 
• Hans Otto Seinsch: Grundlagen elektrische Maschinen und Antriebe. Teubner, 1999, ISBN 3-519-06164-3. 
• Klaus Fuest, Peter Döring: Elektrische Maschinen und Antriebe. 6. Auflage. Vieweg, 2004, ISBN 3-528-54076-1. 

Weblinks

• walter-fendt.de Animiertes Modell zum Prinzip des Elektromotors
• walter-fendt.de Animiertes Modell zum Prinzip des Generators
• Interaktive Darstellung des Kennlinie fremderregter Gleichstrommaschinen. In: GeoGebra. Abgerufen am 26. August 2021 

Einzelnachweise

1. 1 2 Heute gibt es auch bürstenlose oder EC-Motoren mit elektronischem Kommutator (EC).
2. ↑ Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14. Auflage. Hanser, 2009, ISBN 978-3-446-41754-0, S. 32 bis 33. 
3. ↑ Patentanmeldung DE10102235A1: Bürstenlose Gleichstrommaschine. Angemeldet am 19. Januar 2001, veröffentlicht am 14. August 2002, Anmelder: Robert Bosch GmbH, Erfinder: Martin-Peter Bolz.‌