Wie funktioniert ein DC-Elektromotor?

Ein DC-Elektromotor ist ein elektromechanisches Gerät, das elektrische Energie durch elektromagnetische Wechselwirkungen in mechanische Energie umwandelt. Sein Betrieb basiert auf dem grundlegenden Prinzip der elektromagnetischen Kraft – wenn ein stromführender Leiter in ein Magnetfeld platziert wird, erfährt er eine Kraft, die die mechanische Bewegung antreibt. Die Kernkomponenten und der Arbeitsprozess können in die folgenden Schlüsselphasen unterteilt werden:

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Kernkomponenten eines DC-Motors​

Ein typischer DC-Motor besteht aus vier wesentlichen Teilen:​

Stator: Der stationäre Teil, der normalerweise aus Permanentmagneten oder Elektromagneten (Feldwicklungen) besteht, der ein konstantes Magnetfeld (Hauptmagnetfeld) mit festen Nord- (N) und Südpunkten (S) erzeugt.

Rotor (Armatur): Der rotierende Teil, bestehend aus einem zylindrischen Eisenkern mit eingebetteten Armaturwicklungen (Spulen), die Strom führen.

Kommutator: Ein Spulenringgerät, das an der Rotorwelle befestigt ist und die Stromrichtung in den Ankerwicklungen umkehrt, während sich der Rotor dreht.​

Bürsten: Leitfähige Kontakte (oft aus Kohlenstoff), die gegen den Kommutator gleiten und Gleichstrom von einer externen Stromquelle zu den Ankerwicklungen liefern.​

Arbeitsprinzip: Von elektrischer Energie zu mechanischer Bewegung​

Die Durchführung einer DC-Motorentfaltet sich in drei aufeinanderfolgende Schritte, die durch elektromagnetische Wechselwirkungen gesteuert werden:​

Wenn die Feldwicklungen des Stators (oder Permanentmagneten) erregt werden, entsteht ein einheitliches Magnetfeld zwischen den N- und S-Polen, wobei die magnetischen Kraftlinien von N nach S fließen. Dies bildet die "Bühne" für die Erzeugung elektromagnetischer Kräfte.

2. Aktuell in der Ankerwicklung​

Externe DC-Strom fließt durch die Bürsten, den Kommutator und in die Ankerwicklungen, wodurch sie zu stromführenden Leitern werden. Diese Leiter sind im Magnetfeld des Stators eingetaucht, was die Bedingung für die elektromagnetische Kraft erfüllt (Flemings Linke-Hand-Regel: Wenn der Daumen, der Zeigefinger und der Mittelfinger der linken Hand zueinander senkrecht stehen, wobei der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes zeigt (N nach S) und der Mittelfinger in Richtung des Stroms, zeigt der Daumen die Richtung der Kraft auf den Leiter an).​

3. Rotation und Kommutation​

Die auf die Ankerwicklungen wirkende Kraft erzeugt ein Drehmoment, das den Rotor dreht. Während sich der Rotor dreht, rotiert der Kommutator—in zwei oder mehr Segmente unterteilt—mit ihm. Wenn der Rotor eine Position erreicht, in der die Wicklungen senkrecht zum Magnetfeld stehen (neutrale Ebene), wechseln die Kommutatorsegmente den Kontakt mit den Bürsten und kehren die Stromrichtung in den Wicklungen um. Diese Umkehrung stellt sicher, dass die Kraft auf die Wicklungen weiterhin in die gleiche Rotationsrichtung wirkt und eine kontinuierliche Rotation aufrechterhält.

Wesentliche Merkmale zur Gewährleistung des kontinuierlichen Betriebs​

Einseitiges Drehmoment: Die entscheidende Rolle des Kommutators beim Umkehren des Stroms im richtigen Moment verhindert die Drehmomentumkehr und sorgt dafür, dass der Rotor in eine konstante Richtung dreht.

Stabiles Magnetfeld: Das feste Magnetfeld des Stators bietet einen konsistenten "Referenz"-Punkt für die elektromagnetische Kraft des Ankers, was eine vorhersehbare und kontrollierbare Rotation ermöglicht.​

Zusammenfassend wandelt ein Gleichstrommotor elektrische Energie in mechanische Bewegung um, durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Stators und den stromführenden Ankerwicklungen, wobei der Kommutator eine kontinuierliche Rotation durch rechtzeitige Stromumkehr gewährleistet. Dieses Prinzip macht Gleichstrommotoren weit verbreitet in Anwendungen, die präzise Geschwindigkeits- und Drehmomentkontrolle erfordern, von kleinen Haushaltsgeräten bis hin zu Industriemaschinen.