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Gleichstrommotor Allgemeine Grundlagen Bei einem Gleichstrommotor handelt es sich um eine Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so wirkt auf ihn eine Kraft. Sie resultiert daraus, dass sich gleiche Magnetpole abstoßen und entgegenge‐ setzte anziehen. In unserem Fall (Bild oben) wird das äußere Erregerfeld von einem Dauer‐ magneten erzeugt. Die Leiterschleife, die drehbar gelagert ist, wird von dem Strom IA durchflossen und ruft so ebenfalls ein Magnetfeld hervor. Wirken beide Felder auf einander wird die Leiterschleife veranlasst, sich zu drehen. Die Pole des Feldmagneten sind durch N = Nordpol und S = Südpol gekenn‐ zeichnet. Die Leiterschleife, die sich im Luftspalt zwischen den Polen dreht ist durch einen Balken mit zwei Kreisen dargestellt (Bild a). Die Symbole • und X im Inneren der Kreise zeigen die Stromrichtung innerhalb der Ankerwicklung. Zu Beginn unserer Darstellung ist die Leiterschleife pa‐ rallel zu den Feldlinien ausgerichtet. Wird nun eine Gleichspannung angelegt, fließt der Strom aus der untere Spulenhälfte (Punkt in Kreis) heraus und in die oberen Spulenhälfte (X im Kreis) wieder hinein (Bild b). Da die stromdurchflossene Leiterschleife ein eigenes Magnetfeldentwickelt, kommt es nun zu einer Überlagerung des Dauermagnetfeldes mit den Feldern der unteren und oberen Spulenhälf‐ ten. a) b) c) d) Die Feldlinien des Dauermagneten zeigen stets vom Nordpol zum Südpol, wohingegen die Felder der Spulenhälften jeweils entgegengesetzte Richtung haben. Wir erkennen die Richtung durch die einge‐ zeichneten Pfeile (Bild b). Dort, wo die Magnetfelder gleichgerichtet sind, verstärken sie sich. Dort, wo sie entgegengesetzte Richtung haben, werden sie geschwächt. Weil verstärkte, d.h. zusammen‐ gedrängte Feldlinien die Eigenschaft besitzen, sich voneinander abzustoßen, kommt es zu einer Kraftwirkung in Richtung des verminderten Feldbereichs. Diese ist durch weiße Pfeile gekennzeichnet ( Bild c + d ). Durch diese Kraftwirkung in die jeweils entgegengesetzte Richtung am unteren und am oberen Ende der Leiterschleife entsteht ein Drehmoment, welches die Rotationsbewegung der Lei‐ terschleife bewirkt.
Aufbau Im wesentlichen besteht ein Elektromotor aus einem ruhenden Magneten (Ständer) und einer dreh‐ baren Spule (Anker oder Läufer) mit dem Kollektor (Stromwender). Der Läufer oder Anker befindet sich auf einer Stahlwelle, auf der ein gepresstes Blechpaket aufgebracht ist um Wirbelströme zu vermeiden. Die Ankerwicklung, die aus einzelnen Teilspu‐ len besteht, ist in die Nuten des Läufers eingelegt. Anfang und Ende einer jeden Teilspule sind mit den Lamellen des Strom‐ wenders verbunden. Oft besitzen Läufer einen Lüfter. Der Ständer ist der feststehende, äußere Teil des Motors, der unter anderem die Aufgabe hat das Erregerfeld zu erzeugen. Er besteht aus dem Eisenkern und den Polschenkeln, die die Ständerwicklung, auch als Erregerwicklung bezeichnet, tragen. Der Kollektor besteht aus einzelnen, voneinander isolierten Hartkupferlamellen, die über Kohlebürs‐ ten den Stromfluss durch den Läufer herstellen. Die Kohlen werden durch Bürstenhalter auf den Stromwender gedrückt. Ihr Druck wird mit einer Feder reguliert. Entstehende Wärme muss vom Motor nach außen abgeführt werden. Je besser die Wärme abgeführt werden kann, um so kleiner kann der Motor bei gleicher Leistung gebaut werden Grundprinzip Motor und Generator Unter einer Gleichstrommaschine versteht man einen Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird. Der Gleichstromgenerator wandelt mechanische Energie in Gleichstrom um. Die GM besteht aus einem unbeweglichen Teil, dem Stator, und einem beweglichen Teil , dem Rotor. Die meisten GM sind als Innenläufer ausgeführt: der Rotor ist der innere Teil, der Stator der äußere. Bei konventionellen GM besteht der Stator aus einem Elektromagneten oder bei kleineren Maschi‐ nen aus einem Permanentmagneten. Der Rotor wird bei konventionellen Maschinen Anker genannt. Die Wicklung des Ankers wird über den Kommentator angeschlossen. Die Kontakte ( Bürsten ) des Kommutators sind so aufgebaut, dass sie während der Drehung ständig die Polung der Ankerwicklung wechseln. Sie sind aus einem Material gefertigt, welches gut elekt‐ risch leitet, sich im Betrieb leicht abreibt und sich somit selber „schmiert“ ( meistens enthalten sie Graphit ). Beim Generator wird durch die Funktion des Kommutators aus dem Wechselstrom des Rotors Gleichstrom. Kommutator eines großen Elektromotors In der Elektrotechnik wird mit Kommutator (von lat. commutare – vertauschen) oder Stromwender eine Einrichtung zur Stromwendung in elektrischen Maschinen bezeichnet. Die Stromwendung ist zur Bereitstellung eines relativ zur Wicklung drehenden oder wandernden Stromes notwendig und für viele elektrische Maschinen essentiell notwendig. Stromwendeeinrichtungen sind klassisch als Lamellen‐Bürste‐ System ausgeführt (→ Gleichstrommaschine); bei neuzeitlichen Elektronikmo‐ toren werden elektronische Ventile verwendet (Transistoren, Thyristoren, Triacs), die von einer elektronischen Rotorlageerkennung angesteuert werden
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