Wie funktioniert ein Gleichstrommotor: Anwendungen, Auswahlkriterien und praktische Anleitungen

Vom Ventilator, der Ihren Schreibtisch kühlt, bis zum Bohrer, der sich in einer Werkstatt dreht, überall um uns herum arbeiten kleine elektrische Maschinen leise, und die meisten von ihnen haben das gleiche schlagende Herz: einen Gleichstrommotor. Als Hersteller von Mikro-Gleichstrommotoren seit 1988 haben wir mehr als drei Jahrzehnte damit verbracht, diese kompakten Komponenten für Haushaltsgeräte, Elektrowerkzeuge, Automobilteile und Industrieanlagen zu bauen. In diesem Leitfaden erklären wir im Klartext, wie ein Gleichstrommotor funktioniert, mit den praktischen Erkenntnissen, die sich aus der Produktion von Millionen von Einheiten pro Jahr ergeben.

Was ist ein Gleichstrommotor?

Ein Gleichstrommotor ist ein Gerät, das elektrische Gleichstromenergie in mechanische Rotation umwandelt. Die Physik dahinter reicht fast zweihundert Jahre zurück: Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, der sich in einem Magnetfeld befindet, wirkt eine Kraft auf diesen Leiter. Wickeln Sie den Leiter zu einer Spule, montieren Sie ihn auf einer Welle, und die Kraft wird zu einer Drehbewegung. Was Gleichstrommotoren so weit verbreitet macht, ist ihr unkompliziertes Verhalten. Wenn Sie Strom anlegen, dreht sich die Welle. Wenn Sie die Polarität umkehren, dreht es sich in die andere Richtung. Passen Sie die Spannung an und die Geschwindigkeit folgt. Diese Einfachheit und Steuerbarkeit erklären, warum Mikro-Gleichstrommotoren, von kompakten Gehäusen der 300er-Serie bis hin zu größeren Designs der 900er-Serie, nach wie vor die Standardwahl für kleine Geräte sind.

Die Hauptteile eines Gleichstrommotors

Das Verständnis des Arbeitsprozesses ist viel einfacher, wenn man die Komponenten kennt, die eine Rotation ermöglichen:

• Stator: der stationäre Teil des Motors, der bei Mikro-Gleichstrommotoren normalerweise aus Permanentmagneten besteht und für ein konstantes Magnetfeld sorgt.
• Rotor (Anker): Der rotierende Teil besteht aus Drahtwicklungen, die um einen laminierten Eisenkern gewickelt und an der Abtriebswelle befestigt sind.
• Kommutator: Eine segmentierte Kupferhülse auf der Rotorwelle, die die Stromrichtung in den Wicklungen umkehrt, wenn sich der Rotor dreht.
• Pinsel: Federbelastete Kohlenstoffkontakte, die gegen den Kommutator drücken und Strom von der Stromversorgung in den sich drehenden Rotor leiten.
• Welle und Lager: die Teile, die das Drehmoment auf die Last übertragen und für eine gleichmäßige und stabile Drehung sorgen.

Bei kleinen Bürstenmotoren besteht der Stator normalerweise aus Permanentmagneten und nicht aus gewickelten Feldspulen, wodurch der Motor leicht, effizient und kostengünstig bleibt. Unser RS390-Motor für Staubsauger ist ein typisches Beispiel für diese Permanentmagnetkonstruktion, der eine starke Saugleistung in einem kompakten Gehäuse liefert.

Wie funktioniert ein Gleichstrommotor? Schritt für Schritt

Wenn die Komponenten klar sind, verfolgen wir den Strom durch einen laufenden Motor:

1. Strom fließt in die Wicklungen. Die Stromversorgung drückt Gleichstrom durch die Bürsten auf den Kommutator und in die Spulenwicklungen des Rotors.
2. Magnetische Felder interagieren. Die erregte Spule sitzt im Magnetfeld des Stators und die Wechselwirkung erzeugt auf jeder Seite der Spule eine Kraft in entgegengesetzte Richtungen.
3. Drehmoment entsteht. Da diese Gegenkräfte auf beiden Seiten der Welle wirken, erzeugen sie eine Drehkraft, ein sogenanntes Drehmoment, das den Rotor in Drehung versetzt.
4. Der Kommutator schaltet den Strom. Während sich der Rotor dreht, passieren die Kommutatorsegmente die Bürsten und kehren bei jeder halben Umdrehung die Stromrichtung in der Spule um.
5. Die Rotation wird kontinuierlich. Da der Strom genau zum richtigen Zeitpunkt umgeschaltet wird, drückt die Magnetkraft den Rotor immer in die gleiche Richtung und die Welle dreht sich gleichmäßig, solange Strom anliegt.

Die Kraft hinter der Bewegung

Eine einfache Möglichkeit, sich den Effekt vorzustellen, besteht darin, sich zwei einander zugewandte Magnete mit einem stromdurchflossenen Draht dazwischen vorzustellen. Der Draht wird durch die Wechselwirkung zwischen seinem eigenen Magnetfeld und dem Feld der Magnete geschoben, und die Richtung dieses Stoßes folgt einer Regel, die als Flemings Linke-Hand-Regel bekannt ist. Bei einem Motor wirkt dieser Druck auf jede Windung der Ankerwicklung auf einmal, und das kombinierte Ergebnis ist ein gleichmäßiges, nutzbares Drehmoment an der Welle.

Warum der Kommutator wichtig ist

Ohne Kommutierung würde sich die Spule einfach drehen, bis ihr eigenes Magnetfeld mit dem Feld des Stators übereinstimmt, und dann anhalten. Der Kommutator fungiert als mechanischer Schalter und kehrt die Stromrichtung um, sobald der Rotor den Halbpunkt passiert. Durch dieses ständige Umdrehen wird eine Seite der Spule immer nach vorne gedrückt, wodurch ein kurzer Kraftstoß in eine kontinuierliche Rotation umgewandelt wird.

Was steuert Geschwindigkeit und Drehmoment?

In der Praxis bestimmen einige Schlüsselvariablen, wie sich ein Gleichstrommotor in Ihrem Gerät verhält. Die Spannung legt die Grundgeschwindigkeit fest: Erhöhen Sie sie und der Motor dreht schneller, senken Sie sie und der Motor verlangsamt sich. Der Strom spiegelt die Arbeitsbelastung wider: Je härter der Motor arbeitet, desto mehr Strom zieht er, und dieser Strom wird direkt in ein Ausgangsdrehmoment umgewandelt. Die mechanische Konstruktion, einschließlich des Magnetkreises und etwaiger Getriebe, bestimmt dann, wie Geschwindigkeit und Drehmoment letztendlich an der Welle ausgeglichen werden.

Wenn eine Anwendung ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl erfordert, wird dem Motor normalerweise ein Getriebe hinzugefügt. Getriebemotoren kombinieren einen Gleichstrommotor mit einem Untersetzungsgetriebe und tauschen die Drehzahl gegen das Ausgangsdrehmoment aus. Genau das ist es, was ein Elektroschrauber benötigt, um eine Schraube fest anzutreiben, ohne abzuwürgen.

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Bürsten vs. bürstenlos: Zwei Möglichkeiten, einen Gleichstrommotor zu bauen

Alles bisher Beschriebene gilt für den klassischen bürstenbehafteten Gleichstrommotor, bei dem Bürsten und ein Kommutator die Schaltung mechanisch übernehmen. Ein bürstenloser Gleichstrommotor verfolgt einen anderen Ansatz: Die Wicklungen sitzen auf dem Stator, Permanentmagnete sitzen auf dem Rotor und eine elektronische Steuerung schaltet den Strom zwischen den Phasen um. Durch den Wegfall der Verschleißteile erreichen bürstenlose Konstruktionen eine längere Lebensdauer, einen höheren Wirkungsgrad und einen leiseren Betrieb, weshalb sie zunehmend von Drohnen und Präzisionsgeräten bevorzugt werden. Der Nachteil besteht darin, dass ein bürstenloser Motor nicht einfach an eine Batterie angeschlossen werden kann; Zum Betrieb ist eine Treiberschaltung erforderlich.

In der Branche ist dieser Wandel leicht zu beobachten. Wie wir in besprochen haben In unserem Artikel erfahren Sie, warum bürstenbehaftete Gleichstrommotoren nach und nach ersetzt werden Beide Technologien haben immer noch ihre Berechtigung, und die richtige Wahl hängt von den Kostenzielen, den Lebenserwartungen und den Kontrollanforderungen ab. Insbesondere für leichte Hochgeschwindigkeitsflugplattformen sind bürstenlose Designs kaum zu übertreffen.

Wo Gleichstrommotoren täglich im Einsatz sind

Sobald Sie das Funktionsprinzip verstanden haben, fallen Ihnen überall Gleichstrommotoren auf. Im Haushalt treiben sie Staubsauger, Kaffeemaschinen, Haartrockner, elektrische Ventilatoren und motorisierte Vorhänge an. Im Büro betreiben sie Aktenvernichter, Drucker und elektrische Bleistiftspitzer. Im Freien betreiben sie Rasenmäher, Heckenscheren und Laubbläser, während sie in Fahrzeugen Fenster heben, Türen verriegeln und Sitze einstellen. In der Fabrikhalle bewegen sie Roboterarme, sortieren Pakete und geben Produkte aus Verkaufsautomaten aus. Wir haben diese Anwendungsfälle zusammengestellt Unsere Bewerbungsseiten Hier können Sie sehen, wie unterschiedliche Motorgrößen und -spezifikationen auf verschiedene Geräte abgestimmt sind.

Auswahl des richtigen Gleichstrommotors für Ihr Produkt

Für Ingenieure und Käufer ist das Verständnis der Funktionsweise eines Gleichstrommotors der erste Schritt zur Auswahl des richtigen Motors. Definieren Sie zunächst Ihre Versorgungsspannung, das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl, die zulässige Größe, die Geräuschgrenzwerte und die erwartete Lebensdauer und passen Sie diese Anforderungen dann an eine geeignete Motorfamilie an. Seit 1988 haben wir uns von der ersten Mikromotorenfabrik in Yuyao zu einem Hersteller mit mehr als 10 Produktionslinien und einer jährlichen Kapazität von über 10 Millionen Einheiten entwickelt. Wir bieten bürstenbehaftete Gleichstrommotoren der Serien 300 bis 900, bürstenlose Motoren und Getriebemotoren an, die alle unter einem nach ISO 9001 zertifizierten Qualitätsmanagement hergestellt werden und den RoHS- und REACH-Standards entsprechen. Wenn Sie ein Produkt entwickeln, das eine kompakte Rotationsleistung benötigt, hilft Ihnen unser Ingenieursteam gerne bei der Auswahl oder Anpassung des richtigen Motors und Sie können jederzeit ein kostenloses Angebot anfordern.