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Permanenterregter Gleichstrommotor

Das Video zu Gleichstrommaschinen



Den Quellcode des OpenGL-Programms zur Erstellung der Animationssequenzen gibt's in der Rubrik Download.

Energiewandler

Elektromotoren sind Maschinen, die elektrische Energie in mechanische Energie (kinetische oder potentielle Energie) umwandeln. Die in diesem und den folgenden Kapiteln beschriebenen Maschinen bauen hierbei mit Spulen Magnetfelder auf, über deren Kraftwirkung mechanische Arbeit verrichtet wird.

Magnetfeld einer Spule

Stromdurchflossene Spule
Abbildung 1:
Fließt durch eine Spule ein elektrischer Strom, so wird ein Magnetfeld ähnlich dem eines Stabmagneten, dessen Pole sich an den beiden Enden der Spule befinden, erzeugt. Physikalisch gesehen wird der Stromfluss in dem Draht einer Spule von sich bewegenden Elektronen hervorgerufen. In der Technik wird die Stromrichtung jedoch definiert als die Richtung, in der sich positive elektrische Ladung bewegt. Am Pluspol treten die positiven Ladungsträger in den Draht ein und verlassen diesen am Minuspol.
Magnetischer Nordpol einer Spule
Abbildung 2:
Bei der Bewegung längs des Drahtes rotiert der Strom beim Blick auf das Spulenende an dem sich der magnetische Nordpol ausbildet, entgegen dem Uhrzeigersinn.
Rechte-Faust-Regel
Abbildung 3:
Eine weitere Merkregel zur magnetischen Polung einer Elektrospule ist die Rechte-Faust-Regel:
Wird die Spule mit der rechten Hand so umfasst, dass die Finger in Richtung der technischen Stromrichtung gekrümmt sind, zeigt der abgespreizte Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols.
Windungsschluss
Abbildung 4:
Beschädigungen an der Isolierung gilt es zu vermeiden, da ansonsten eine oder mehrere Windungen vom Stromfluss ausgelassen werden. Dieser sogenannte "Windungsschluss" schwächt das entstehende Magnetfeld.

Funktionsweise

Drehmoment auf den Rotor
Abbildung 5:
Im Feld zweier Permanentmagnete wirken Kräfte auf eine drehbar gelagerte, stromdurchflossene Spule.

Kommutator
Abbildung 6:
Das Umpolen der Elektrospule wird mit Hilfe zweier Schleifkontakte zeitlich so gesteuert, dass eine kontinuierliche Rotation entsteht. Die Anordnung von Spulenanschlüssen und Schleifkontakten bezeichnet man als Kommutator, abgeleitet von dem Lateinischen Wort "commutare", stehend für "vertauschen". Die beiden Schleifkontakte bezeichnet man als Bürsten. Diese bestanden anfangs aus geflochtenem Kupferdraht, ähnelnd einer Bürste. Auch wenn diese heutzutage meist aus massiven Graphitstäben bestehen, ist die Bezeichnung übernommen worden.
In dieser Stellung ist der mit einem Punkt markierte Anschluss der Spule mit dem Pluspol über die obere Bürste (1b) verbunden. Der mit einem Kreis markierte Anschluss ist mit der unteren Bürste (1a) und somit mit dem Minuspol verbunden. Der magnetische Nordpol der Spule befindet sich links oben, ebenso wie die mit dem Punkt gekennzeichnete Anschlussklemme der Spule. Im Feld der beiden Permanentmagnete wirkt somit ein Drehmoment im Uhrzeigersinn.

Funktionsweise Kommutator
Abbildung 7:
Nach einer Rotation um 180 Grad ist der mit dem Punkt gekennzeichnete Anschluss der Spule mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden. Der positive Strom fließt von dem mit dem Kreis gekennzeichneten und mit dem Pluspol verbundenen Anschluss hin zum Minuspol. Plus und Minus an der Spule sind im Vergleich zur Ausgangsposition vertauscht. Entsprechend zeigt der magnetische Nordpol nun in Richtung des mit dem Kreis markierten Anschlusses. Da sich die Spule im Vergleich zur Abbildung oben jedoch um 180 Grad gedreht hat, befindet sich der Nordpol der Spule wieder links oben - so wie zu Beginn der Drehung. Es wirkt weiterhin ein Drehmoment im Uhrzeigersinn.

Motor mit 3 Elektrospulen
Abbildung 8:
Mindestens drei Spulen im Winkel von 120 Grad zueinander werden benötigt, um einen kontinuierlich drehenden Elektromotor zu bauen. Die Anschlüsse je zwei benachbarter Spulen sind dabei im Kommutator miteinander verbunden. Die Umschaltung zur nächsten Spule erfolgt nach je 60 Grad Drehung. Dabei sind kurzzeitig zwei Spulen mit der Spannungsquelle verbunden. Zu sehen ist, dass bei der hier gezeigten Polung des Motors das von beiden Spulen hervorgerufene Drehmoment im Uhrzeigersinn wirkt.

Gleichstommotor mit vier Spulen

Permanenterregter Gleichstrommotor
Abbildung 9: (Animation starten.)
Bauteile eines permanenterregten Gleichstrommotors:
(1) Motorgehäuse
(2) Permanentmagnet, magnetischer Nordpol innen
(3) Permanentmagnet, magnetischer Südpol innen
(1) + (2) + (3) bilden den Stator
(4) Drehachse
(5) Rotorwicklung
(6) Rotor
(7) Kommutator
(8) Schleifkontakte (Bürsten)

In dem hier gezeichneten Elektromotor wird durch zwei senkrecht aufeinander stehende Spulenpaare ein Magnetfeld generiert. Die Spulen befinden sich in dem Magnetfeld zweier Permanentmagnete, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. Die drehbar gelagerten Spulen werden auch als Rotor oder Anker bezeichnet. Als Kernmaterial der Spulen wird magnetisch weiches Eisen verwendet, um die erzeugten Magnetfelder zu verstärken. Das Motorgehäuse ist fest montiert und bildet zusammen mit den beiden Permanentmagneten den Stator. An die zum Feld der Permanentmagnete senkrecht stehende Spule des Rotors wird über den Kommutator eine Gleichspannung angelegt, wodurch sich ein Magnetfeld mit einem magnetischen Nord- und Südpol ausbildet. Der Stromfluss ist durch symbolisierte Pfeile (Punkt=Stromfluss aus der Bildschirmebene und Kreuz=Stromfluss in die Bildschirmebene) dargestellt. In der Skizze befindet sich der Südpol oben, der Nordpol unten. Im Magnetfeld der Permanentmagnete wird die obere Hälfte der Spule nach links gezogen, die untere Hälfte nach rechts. Die Folge davon ist ein gegen den Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment. Dem Drehmoment folgend bewegt sich der Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn. Noch bevor das erste Spulenpaar parallel zum Magnetfeld der Permanentmagnete steht, wird der Stromfluss durch diese Spulen unterbrochen und die Gleichspannung an das zweite Spulenpaar angelegt. Die Drahtwicklung ist so ausgeführt dass nun auf diese Spule ebenfalls ein Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn wirkt. Bevor dieses zweite Spulenpaar parallel zum Magnetfeld der Permanentmagnete steht, werden auch diese wieder von der Spannungsquelle getrennt und das erste Spulenpaar angeschlossen. Die Polung des Spulenpaares ist nun jedoch umgekehrt wie zuvor, wodurch sich der magnetischer Südpol wiederum oben, der Nordpol unten befindet und das entsprechende Drehmoment weiterhin entgegen dem Uhrzeigersinn wirkt.
Neben der mechanischen Beanspruchung durch Abrieb wirken auf den Kommutator Spannungsspitzen. Wie im Kapitel zur Selbstinduktion und später erwähnt, induzieren Spulen eine Spannung, wenn sich der Stromfluss durch die Drahtwindungen ändert. Die induzierte Spannung ist um so höher, je schneller die Stromänderung erfolgt. Durch den Kommutator wird der Stromfluss durch die Spulen jäh unterbrochen, wodurch entsprechend eine sehr hohe Induktionsspannung generiert wird. Das führt dazu, dass Funken an den Kontakten des Kommutators überspringen. Auch diese Funkenbildung beansprucht das Material von Kommutator und Schleifkontakten.

Lernkontrolle:

Wo liegt der Magnetische Nordpol der hier zu sehenden Spule?

Frage 1:
In welche Richtung bewegen sich die positiven Ladungsträger?





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