imported>GünniX: Tippfehler korrigiert

2025-04-10T04:07:50Z

Tippfehler korrigiert

Neue Seite

{{Dieser Artikel|behandelt den elektrischen Motor oder Generator namens Gleichstrommaschine; zu der speziellen Dampfmaschine namens Gleichstrommaschine siehe [[Dampfmaschine#Gleichstromdampfmaschine|Dampfmaschine]].}}
[[Datei:Animation einer Gleichstrommaschine (Variante).gif|miniatur|Mit einem [[Permanentmagnet]]en erregter zweipoliger Gleichstrommotor]]
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 (Elektrotechnik)|Kommutator]] oder Polwender bezeichneter mechanischer [[Wechselrichter]].<ref name="EC"> Heute gibt es auch [[bürstenloser Motor|bürstenlose oder EC-Motoren]] mit elektronischem Kommutator (EC).</ref> 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 ==
[[Datei:DMM 47797 Gleichstromgenerator System Gramme.jpg|miniatur|rechts|Historische Gleichstrommaschine von [[Zénobe Gramme]] (um 1880)]]
Begünstigt durch die Entwicklung der ersten [[Galvanische Zelle|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 [[Dynamoelektrisches Prinzip|dynamoelektrischen Prinzip]] die Möglichkeit der Selbsterregung und den industriellen Einsatz im Bereich des Großmaschinenbaus eröffnete.<ref name="fis1" />

In den folgenden Jahrzehnten verlor die Gleichstrommaschine, bedingt durch die Entwicklung des [[Dreiphasenwechselstrom]]s, im Großmaschinenbau an Bedeutung. Insbesondere die [[Drehstrom-Synchronmaschine|Synchronmaschinen]] und für wartungsarme Antriebssysteme der [[Drehstrom-Asynchronmaschine|Asynchronmotor]] lösten die Gleichstrommaschine in vielen Anwendungsbereichen ab. Die Gleichstrommaschine mit [[#Fremderregte Maschine|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 [[Drehmoment]]<nowiki/>steuerung. Im Kleinstleistungsbereich, beispielsweise bei [[Modellbahn]]en, ist vor allem der permanenterregte Gleichstrommotor des einfachen Aufbaues wegen üblich.

== Aufbau ==
[[Datei:TMW 50904 Schnittmodell eines Gleichstrommotors.jpg|miniatur|rechts|Schnittmodell eines industriellen Gleichstrommotors]]
Die Maschine hat einen unbeweglichen Teil, den [[Stator]]. Er besteht aus einem Joch in Form eines Hohlzylinders. Daran befestigt sind die [[Hauptpol]]e und bei größeren Maschinen auch Wendepole. Der Stator ist nicht [[Elektroblech|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 [[Polschuh]]en sitzt bei größeren Maschinen die [[Kompensationswicklung]].

Der drehbar gelagerte Teil der Gleichstrommaschine heißt [[Rotor]] oder bei konventionellen Maschinen auch [[Anker (Elektrotechnik)|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 [[Außenläufer]]n ist es umgekehrt.

[[Datei:Kommutator universalmotor stab.jpg|miniatur|Trommelanker]]
[[Datei:Schema Ankerwicklung.svg|miniatur|Abwicklungsschema für einen [[Trommelanker]] mit Wellenwicklung und der Magnetisierung durch den Strom]]
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 (Elektrotechnik)|Kommutator]] (Polwender) angeschlossen. Die [[Gleitkontakt|Schleifkontakte]] am Kommutator (Metallbürsten oder Kohle„bürsten“) wechseln während der Drehung die [[Polarität (Physik)|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.

=== Permanenterregte Gleichstrommaschine ===
[[Datei:Gleichstrommaschine.svg|miniatur|links|Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer permanenterregten Gleichstrommaschine]]
Das Stator-Magnetfeld wird bei kleineren Motoren (Spielzeug, Stellantriebe, Gebläse und Kühler-Ventilatoren in Kraftfahrzeugen, [[Elektroantrieb (Fahrrad)#Motoren|Elektroantrieb an Fahrrädern]]) über einen [[Magnet|Permanentmagneten]] und nicht elektrisch über eine Spule erregt<ref>{{Internetquelle |autor=GROSCHOPP AG Drives & More |url=https://www.groschopp.de/de/elektromotoren |titel=Elektromotoren - Langlebig, leistungsstark und zuverlässig |werk=https://www.groschopp.de/de/elektromotoren |hrsg=GROSCHOPP AG Drives & More |abruf=2024-02-29}}</ref>. Diese Magnete sind mit der Entwicklung der Gleichstrommotoren immer leistungsfähiger geworden und würden auch den Bau größerer Motoren gestatten. Die Kosten großer Permanentmagnete wären jedoch höher als die der Erregerwicklung.

Permanenterregte Motoren haben, wie auch fremderregte Maschinen, sehr hohe Einschaltströme. Ihr Betriebsverhalten ist im Abschnitt Physikalisches Modell erklärt. Permanenterregte Maschinen haben den Vorteil, dass zur Erzeugung des Magnetfeldes keine Energie benötigt wird. Das verbessert besonders bei kleiner Gesamtleistung den Wirkungsgrad. Nachteil ist, dass das Feld nicht [[Feldschwächung|geschwächt]] und somit die Drehzahl weniger variiert werden kann.

<div style="clear:both;"></div>

=== Elektrisch erregte Gleichstrommaschine ===
Wird das Statorfeld durch einen Elektromagneten erzeugt, spricht man von elektrischer Erregung. Ist die Erregerwicklung vom Ankerstromkreis unabhängig, spricht man von Fremderregung. Sind die Rotor- und Statorwicklung miteinander verbunden, unterscheidet man:

==== Reihenschlussmaschine ====
[[Datei:Kennlinie Reihenschluss-Gleichstrommaschine.svg|miniatur|Kennlinie einer Reihenschlussmaschine: [[Drehmoment]] über [[Drehzahl]] bei konstanter Klemmenspannung]]
[[Datei:Reihenschlussmaschine.svg|miniatur|links|Funktionsprinzip Reihenschlussmotor]]
[[Datei:Reihenschlussmotor.svg|miniatur|Reihenschlussmotor (interne Verschaltung)]]
Bei der ''Reihenschlussmaschine'' (auch ''Hauptschlussmaschine'' genannt) sind Anker- und Erregerwicklung in Reihe geschaltet. Die Erregerwicklung muss niederohmig sein. Bei einer Speisung mit Wechselspannung wechseln sowohl das Erregerfeld als auch der Ankerstrom die Richtung nach jeder Halbwelle, sodass das resultierende Drehmoment auch bei Umkehr der Stromrichtung weiterhin in die gleiche Richtung wirkt. Daher kann ein Reihenschlussmotor auch mit Wechselstrom betrieben werden. Der [[Eisenkern]] des Stators muss in diesem Fall ein Blechpaket sein, damit Wirbelströme vermieden werden.

Mit einphasigem Wechselstrom betriebene Motoren ([[Einphasen-Reihenschlussmotor]]en) sind in älteren [[Elektrolokomotive]]n (daher der Frequenzkompromiss 16,7 Hz im [[Bahnstromnetz]]) sowie in [[Straßenbahn]]-[[Triebwagen]] zu finden. Sie befinden sich auch unter dem Begriff '''[[Universalmotor]]''' oder '''Allstrommotor''' in vielen [[Haushaltsmaschine]]n ([[Staubsauger]], [[Küchenmaschine]]n) und Elektro-Handgeräten ([[Bohrmaschine]]n). Die [[Anlasser]] großer [[Verbrennungsmotor]]en (beispielsweise in [[Lastkraftwagen|LKW]]) sind Reihenschlussmotoren.

Um einen Reihenschlussmotor als [[Generator]] (z. B. beim elektrischen Bremsen von Straßenbahnen) betreiben zu können, muss seine [[Erregerwicklung]] umgepolt werden, denn sonst hebt der generierte, durch die Feldwicklung fließende Strom das Erregerfeld auf.

Das [[Drehmoment]] einer Reihenschlussmaschine ist stark drehzahlabhängig ([[Reihenschlussverhalten]]). Bei geringer Drehzahl ist die Gegeninduktionsspannung der Ankerwicklung gering. Daher fließt ein großer Strom durch Anker und Erregerwicklung, und es kann ein großes Drehmoment aufgebracht werden. Mit der Drehzahl steigt die Gegeninduktionsspannung. Strom und Erregung sinken und damit auch das Drehmoment der Maschine.

Reihenschlussmotoren haben, insbesondere bei Wechselspannungsbetrieb („[[Universalmotor]]“, z. B. in Staubsaugern), dennoch einen wesentlich geringeren [[Einschaltstrom]] als Nebenschluss- oder permanenterregte Motoren. Sie liefern dennoch kurzzeitig ein sehr hohes Anlaufmoment, weswegen sie in Anlassern, Straßenbahnfahrzeugen und Elektrolokomotiven, wo sie im Kurzbetrieb extrem überlastbar sind, verwendet werden.

Bei Betrieb mit Wechselstrom ist das Drehmoment mit doppelter Netzfrequenz pulsierend, so dass bei großen Motoren ausgleichende Elemente zwischengeschaltet werden müssen. Das gilt auch für Einphasen-[[Synchronmotor #Einphasige Synchronmotoren|Synchronmaschinen]].

Die Anschlüsse des Ankers werden mit A1 und A2 bezeichnet, die der Erregerwicklung mit D1 und D2. Bei der dargestellten Schaltung dreht der Motor im Uhrzeigersinn, erkennbar am eingezeichneten Pfeil im Anker.
<div style="clear:both;"></div>

==== Nebenschlussmaschine ====
[[Datei:Kennlinie Nebenschluss-Gleichstrommaschine.svg|miniatur|Kennlinie einer Nebenschlussmaschine: [[Drehmoment]] über [[Drehzahl]], bei konstanter Klemmenspannung]]
[[Datei:Nebenschlussmaschine.svg|miniatur|links|Nebenschlussmaschine]]
[[Datei:Nebenschlussmotor.svg|miniatur|Nebenschlussmotor (interne Verschaltung)]]
Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallelgeschaltet. Der Erregerstrom wird nur durch den ohmschen Widerstand der Erregerwicklung, die eine hohe Windungszahl und [[Induktivität]] hat, begrenzt. Ein Wechselspannungsbetrieb ist nicht möglich, da der Erreger- dem Ankerstrom weit [[Phasenverschiebung|nacheilen]] würde. Die Drehzahl großer Nebenschlussmaschinen ist nahezu unabhängig vom Drehmoment, weshalb sie sich besonders für Anwendungen eignet, bei denen das Lastmoment schwankt, die Drehzahl aber möglichst konstant sein soll, z. B. bei Förderbändern und Hebezeugen, bei denen auch [[Asynchronmaschine|Asynchronmotoren]] benutzt werden.

Nebenschlussmotoren können bei Unterbrechung des Erregerkreises ''durchgehen'', da Drehzahl und Stromaufnahme beim Abklingen des Erregerfeldes drastisch ansteigen.

Nebenschlussmotoren können als Generator (z. B. zur Bremsung) arbeiten, wenn eine Hilfsspannungsquelle oder eine Restmagnetisierung dafür sorgen, dass beim Start des Bremsvorganges eine Erregung vorhanden ist. Mit steigender Erregung oder Drehzahl steigt auch die generierte Spannung – es ist die Spannung, die auch bei Motorbetrieb dem speisenden Strom entgegenwirkt und für eine konstante Drehzahl sorgt. Sie wird daher auch Gegenspannung genannt. Der Anstieg der Gegenspannung mit der Erregung, also bei Nebenschlussmotoren mit der Versorgungsspannung, bewirkt, dass ihre Drehzahl wenig von der Spannung abhängt, solange keine magnetische Sättigung eintritt. Mit sinkender Spannung sinkt auch die [[Drehzahlsteifigkeit]]. Bei einem fremderregten Gleichstrommotor mit unabhängig versorgtem, konstantem Erregerfeld ist dagegen die Leerlaufdrehzahl proportional zur Ankerspannung.

Die Anschlüsse des Ankers werden mit A1 und A2 bezeichnet, die der Erregerwicklung mit E1 und E2. In der dargestellten Beschaltung dreht der Motor rechtsherum (im Uhrzeigersinn), erkennbar am eingezeichneten Pfeil im Anker.

Das maximal erreichbare Drehmoment wird durch den zulässigen Ankerstrom begrenzt, dieser ist hauptsächlich von den getroffenen Kühlmaßnahmen abhängig. Große Nebenschlussmaschinen in Walzwerken werden fremdbelüftet, um auch bei geringer Drehzahl einen hohen Ankerstrom und damit ein hohes Drehmoment zu ermöglichen.

Wird an eine Nebenschlussmaschine plötzlich ihre Nennbetriebsspannung gelegt, fließt durch den Anker ein sehr hoher Einschaltstrom, der Schutzschaltungen auslösen kann. Große Maschinen müssen daher mit geringerer Spannung angefahren werden. Dadurch wird die Kennlinie parallel zu geringen Drehzahlen hin verschoben, sodass sie die Momentenachse in einem Bereich außerhalb der Überlast schneidet. Das Anlaufmoment sowie der Ankerstrom im Stillstand sind dann begrenzt. Zusammen mit der folgenden Erhöhung der Antriebsdrehzahl kann auch die Spannung erhöht werden. Alternativ können zum Anfahren Vorwiderstände im Ankerkreis verwendet werden; dadurch wird die Kennlinie flacher, sodass sie wiederum die Achse in einem Bereich außerhalb der Überlast schneidet. Der Nachteil dieser Methode ist die Verlustleistung am Widerstand, dieser muss dann gegebenenfalls aktiv gekühlt werden.

<div style="clear:both;"></div>

==== Verbundmaschine ====
[[Datei:Kennlinie Doppelschluss-Gleichstrommaschine.svg|mini|rechts|Kennlinie einer Doppelschlussmaschine: [[Drehmoment]] über [[Drehzahl]], bei konstanter Klemmenspannung]]
Der '''Doppelschlussmotor''' (auch ''Verbund-'' oder ''Compound-Motor'' genannt) vereinigt die Eigenschaften des Neben- und des Reihenschlussmotors in einer Maschine. Er hat eine Reihenschluss- und eine Nebenschlusswicklung. Je nach Auslegung hat der Doppelschlussmotor unterschiedliches Betriebsverhalten. Bei richtiger [[Doppelschlussgenerator#Beschreibung|Compoundierung]] hat er ein etwas geringeres [[Drehmoment|Anzugsdrehmoment]] als ein gleichwertiger Reihenschlussmotor. Seine [[Drehzahl]] sinkt dann bei Belastung etwas mehr ab als die eines entsprechenden Nebenschlussmotors. Bei Leerlauf geht er nicht durch. Wird der Doppelschlussmotor überkompoundiert, so hat er vorwiegend Reihenschlussverhalten, also ein hohes Anzugsmoment, aber eine instabile Drehzahl. Bei Unterkompoundierung hat er überwiegend [[Nebenschlussverhalten]], also hohe Drehzahlstabilität, aber geringeres Anzugsmoment. Der Doppelschlussmotor wird wegen seines gleichen Drehzahl-Drehmoment-Verhaltens zum Antrieb z. B. von [[Presse (Maschine)|Pressen]] und [[Stanzen (Technik)|Stanzen]] verwendet.

<div style="clear:both;"></div>

==== Fremderregte Maschine ====
[[Datei:Betriebsdiagramm fremderregte Gleichstrommaschine.svg|mini|rechts|Betriebsbereich einer fremderregten Gleichstrommaschine]]

Hier werden Anker- und Erregerwicklung aus zwei unterschiedlichen und getrennt voneinander einstellbaren [[Gleichstromsteller]]n gespeist. Während bei der Nebenschlussmaschine die Erregerspannung gleich der Ankerspannung ist, kann man bei fremderregten Maschinen durch Verringerung des Erregerstroms, man spricht in diesem Fall auch von einer [[Feldschwächung]] des magnetischen Flusses Φ, die Drehzahl ''n'' über die Nenndrehzahl ''n''<sub>N</sub> hinaus steigern. Im rechten Diagramm entspricht dies dem Bereich mit ''n''/''n''<sub>N</sub> größer als 1. Dabei kommt es gleichzeitig zu einer Reduktion des [[Drehmoment]]s ''M''. Andererseits kann bei der fremderregten Maschine die Ankerspannung ''U''<sub>A</sub> unabhängig vom Erregerstrom abgesenkt werden. Dadurch kommt es bei konstantem Drehmoment zu einer Leistungsabsenkung und gleichzeitiger Drehzahlreduktion.

Durch die getrennte Regel- bzw. Steuerbarkeit der Anker- und Erregerwicklungen lassen sich verschiedene Betriebspunkte unterhalb der rot gestrichelten Drehmomentkennlinie durch die Art der Ansteuerung erzielen. Vorteile wie hohes Drehmoment bei Stillstand oder geringen Drehzahlen sind gegeben. Daher spielten insbesondere fremderregte Gleichstrommaschinen im Bereich von hochdynamischen Antriebssystemen, beispielsweise bei [[Werkzeugmaschine]]n oder elektrischen Stadtschnellbahntriebzügen wie der [[DB-Baureihe 420]] bis in die 1980er Jahre hinein eine bedeutende Rolle. Gleichstrommaschinen wurden in den Folgejahren in diesen Anwendungsbereichen zunehmend durch [[Drehstrommaschine]]n mit vorgeschalteten elektronischen [[Frequenzumrichter]]n abgelöst, die in Kombination die gleichen Vorteile für hochdynamische Antriebe bei geringerem Wartungsaufwand bieten.

Fremderregte Gleichstrommaschinen wurden früher auch im [[Umformer#Leonardsatz|Leonardsatz]] eingesetzt, dem früher einzigen drehzahlvariablen Antrieb für große Leistungen, der aus einem [[Drehstrom-Asynchronmotor]], einem jeweils fremderregten Gleichstrom-Generator und einem Gleichstrommotor bestand.

<div style="clear:both;"></div>

=== Spezielle Bauformen ===
==== Glockenanker-Maschinen ====
[[Datei:Rotor eisenlos vorne.jpeg|mini|links|Rotor einer Glockenanker-Maschine mit umfangparalleler Fadenwicklung und grauer Auswuchttränkung seitlich]]
[[Datei:Ironless electric motor.svg|mini|Schema eines Glockenanker-Motors, oben: Längs- und Querschnitt, unten: Anordnung der Spulenstränge auf der Zylinderfläche; B = [[Magnetfluss]], current = [[Elektrischer Strom|Stromfluss]]]]
Kleine Maschinen bis etwa 100 Watt mit Permanentmagneten können auch mit einem hohlen Rotor gebaut werden. Der Rotor ist eisenlos, selbsttragend gewickelt und kunstharzgetränkt.<br />
Der Stator, ein Permanentmagnet, liegt in diesem Fall innerhalb des Rotors. Das außenliegende Motorgehäuse aus Eisen bildet den notwendigen Rückschluss für den magnetischen Fluss des Stators. Der elektrische Aufbau entspricht der ersten Illustration.<br />
Durch den eisenlosen Aufbau des Rotors bildet der Motor kein Rastmoment aus, er lässt sich vollkommen frei drehen.<br />
Da im Gegensatz zu allen anderen Motoren im Betrieb keine Eisenteile ummagnetisiert werden müssen, ist dieser Motor frei von [[Eisenverluste]]n und erreicht bei hohen Drehzahlen höhere Wirkungsgrade.
Insbesondere ist jedoch sein Rotations-Trägheitsmoment geringer, weshalb damit hochdynamische, leichte Antriebe realisiert werden können. Mit Glockenankermotor ausgerüstete Modellbahnfahrzeuge zeichnen sich durch ruckfreien Lauf und gute Langsamfahreigenschaften aus.<br />
Nachteilig ist der große Luftspalt im Erregerkreis, der eine verringerte Magnetflussdichte zur Folge hat. Die selbsttragende Bauweise stellt hohe technologische Anforderungen, da die Fliehkräfte aufgenommen werden müssen und ein nachträgliches Auswuchten des Ankers durch Materialabtrag nicht möglich ist. Nötige Stoßfestigkeit limitiert die Ankergröße.
[[Datei:Pancake Motor Sample Brushed12345.jpg|miniatur|Scheibenläufermotor mit Kommutator 1 Scheibe aus Kupferdrähten. 2 Die kleinere Hälfte des Stators 3 Runde Stabmagnete aus AlNiCo 4 Zwei Kohlebürsten eingebaut normalerweise vier pro Statorseite 5 Spannungsversorgungsleitungen]]

==== Scheibenläufermotoren ====
Beim [[Scheibenläufermotor]] ist der Rotor eine dünne Scheibe, die in einem parallel zur Achse verlaufenden Magnetfeld dreht. Es gibt diese Variante mit permanentem Statormagnetfeld und Kommutator, aber auch als bürstenlosen Motor. Wegen der vergleichsweise niedrigen Masse hat der Rotor eine geringe Massenträgheit, wodurch der Motor für dynamische Anwendungen geeignet ist.

==== Bürstenlose Gleichstrom-Maschine ====
:{{Hauptartikel|Bürstenloser Gleichstrommotor}}
Nachteil der Gleichstrommaschinen sind Funken, die bei den Bürsten entstehen („[[Bürstenfeuer]]“). Das Bürstenfeuer ist die Hauptursache für hochfrequente Störungen, die der Motor im Betrieb in das Leitungsnetz zurückspeist und die andere elektrische Verbraucher stören. Es begrenzt auch die maximale Drehgeschwindigkeit, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und besonders schnell verschleißen. Weiterhin bewirken hohe Drehzahlen auch höhere Induktionsspannungen, die bis hin zum umlaufenden Bürstenfeuer führen können.

Mit der Entwicklung der Elektronik können kleinere permanenterregte [[Synchronmotor]]en so betrieben werden, dass sie von außen ähnlich beschrieben werden können wie eine Gleichstrommaschine.<ref name="EC" /> Diese Motoren mit Elektronik-[[Umrichter]] wurden besonders im englischen Sprachraum als ''brushless direct current'' (BLDC) beworben, auf Deutsch übersetzt bürstenlose Gleichstrommaschine. Die Maschine wird auch als EC-Motor (EC für ''electronically commutated'') bezeichnet. Vom Aufbau her sind diese Motoren ungedämpften permanenterregten Synchronmaschinen gleich und können in Anwendungen, die eine genügende Eigendämpfung haben, auch als Synchronmaschine angesteuert werden.<ref>{{Patent| Land=DE| V-Nr=10102235A1| Typ=Patentanmeldung| Titel=Bürstenlose Gleichstrommaschine| A-Datum=2001-01-19| V-Datum=2002-08-14| Anmelder=Robert Bosch GmbH| Erfinder=Martin-Peter Bolz}}</ref>

=== Spezielle Effekte ===
==== Ankerrückwirkung ====
Da der Anker stromdurchflossen ist, bildet sich auch um diesen ein [[magnetisches Feld]]. Dieses verstärkt das Hauptfeld auf der einen Seite des Leiters und schwächt es auf der anderen. Insgesamt führt dies dazu, dass sich der ''neutrale Bereich'', in dem die Polung des Stromes umgeschaltet werden muss, etwas verspätet, d. h. im Generatorbetrieb in Drehrichtung und im Motorbetrieb gegen die Drehrichtung verschiebt. Da sich jedoch der Kommutator nicht anpasst (also stets senkrecht zu den Polschuhen umschaltet und nicht senkrecht zu den „effektiven“ [[Feldlinie]]n), liegt zu dem Zeitpunkt des Umschaltens ([[Kommutierung]]) noch eine [[Elektromagnetische Induktion|Induktionsspannung]] an den Kohlebürsten an, und es kommt zur Funkenbildung, dem Bürstenfeuer.
In Anlagen, die ein gleichmäßiges Drehmoment verlangen und nur in einer Laufrichtung betrieben werden (z. B. starke Lüfter), kann das Bürstenfeuer verringert werden, indem der Bürstenträger leicht verdreht montiert wird und dann im Betriebszustand doch senkrecht zu den effektiven Feldlinien umschaltet. Dies erfordert jedoch eine Justierung im Betrieb und wird heute aus Kostengründen kaum noch durchgeführt. Stattdessen werden in großen Maschinen [[Wendepolwicklung]]en und [[Kompensationswicklung]]en eingesetzt, die die Feldlinien gleichsam in die ideale Lage „zurückbiegen“.

==== Gegenspannung ====
Der Anker dreht sich im Motor innerhalb des Statorfeldes. Nach dem Generatorprinzip wird so in dessen Spulen auch bei Motorbetrieb eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung ist wie die Betriebsspannung gepolt und wirkt daher dem Rotorstrom entgegen. Sie wird Gegenspannung genannt. Sie ist ein wichtiger Parameter von Motoren, mit ihrer Hilfe lässt sich in etwa die Leerlaufdrehzahl permanenterregter Motoren bestimmen.

Der Ankerstrom führt zu einem ohmschen Spannungsabfall am Ankerwiderstand (Kupfer), dieser Spannungsabfall steigt somit mit der Belastung des Motors (steigende Stromaufnahme) an und bewirkt bei Motoren einen Abfall der Drehzahl. Bei großen fremderregten Motoren ist dieser Drehzahlrückgang sehr gering.

Die Gegen-EMK ist streng linear abhängig von der Drehzahl des Ankers und der Stärke der Erregung. Die Gegen-EMK kann von Regelschaltungen genutzt werden, um die Drehzahl permanenterregter Motoren exakt zu stabilisieren; dies wurde z. B. bei Kassetten-Tonbandgeräten angewendet.

Die Gegen-EMK macht bei Umkehr der Stromrichtung (Klemmenspannung < EMK) aus dem Motor einen Generator, sie kann zur Bremsung und zur Energierückspeisung (Nutzbremsung) dienen.

Bei Motorstillstand gibt es keine Gegenspannung. Deshalb haben fremd- und permanenterregte Gleichstrommotoren einen hohen Einschaltstrom – der Widerstand der Rotorspulen ist vergleichsweise klein und somit der Strom im Moment des Einschaltens sehr groß.<br />
Ohne Begrenzung des Anlaufstromes werden große Motoren oder das speisende Netz eventuell überlastet, man verwendet daher in Reihe zum Anker [[Anlasswiderstand|Anlasswiderstände]], die nach dem Hochlaufen stufenweise kurzgeschlossen werden.<br />
Auch die Reihenschlussmotoren von [[Straßenbahn]]en wurden früher über [[Fahrschalter]] (Stufenwiderstand) angefahren, heute wird dies verlustärmer über [[Gleichstromsteller|Schaltregler]] ([[Chopper-Steuerung|Chopperbetrieb]]) erreicht.<br />
Bei Elektrolokomotiven verwendete man Transformatoren mit Stufenschaltern, an denen sich kleinere Stelltransformatoren von Stufe zu Stufe „hangelten“. Auch hier verwendet man heute stattdessen Leistungselektronik ([[Insulated Gate Bipolar Transistor|IGBT]]-Schalter).

== Physikalisches Modell ==
[[Datei:Ersatzschaltbild Gleichstrommaschine.svg|hochkant=1.8|mini|Ersatzschaltbild von Anker und Erregerwicklung (Feldwicklung)]]
Unter Vorgabe des Verbraucher-Zählpfeil-Systems (wie z. B. beim [[Ohmsches Gesetz|Ohmschen Gesetz]] vorausgesetzt) gilt
:<math>L_A \frac{\mathrm d i_A(t)}{\mathrm dt} = -R_A\ i_A(t) - U_\mathrm{ind} + U_A \qquad \text{(1)}</math>
Setzt man den Strom als zeitlich konstant voraus <math>\tfrac{\mathrm di_A(t)}{\mathrm dt} = 0</math>, folgt
:<math>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} </math>
Berücksichtigt man zusätzlich das [[Induktionsgesetz]], wird daraus
:<math> U_A = R_A \cdot i_A + k_2\cdot \phi \cdot 2 \pi n \qquad \text{(1a)}</math>

Diese Gleichung lässt sich wie folgt deuten:<br />
Für konstantes <math>U_A</math> und dem in der Praxis kleinen <math>R_A</math> ist die induzierte Spannung <math>U_\mathrm{ind}</math> unwesentlich kleiner als <math>U_A</math>. Damit ist bei konstantem Fluss <math>\phi\,</math> n ungefähr proportional der Ankerspannung. Im Bereich <math> -U_\mathrm{nenn} < U_A < U_\mathrm{nenn} </math> ist damit die Drehzahl über die Ankerspannung steuerbar. Man spricht vom Ankerstellbereich.
Für den Fall <math> U_A = U_\mathrm{nenn} </math> und <math> n= n_\mathrm{nenn} </math> spricht man vom Typenpunkt. Oberhalb des Typenpunktes ist bei konstanter Ankerspannung <math>U_A</math> eine Drehzahlsteigerung durch eine Verringerung des magnetischen Flusses <math>\phi\,</math> 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 <math> M = k_1 \cdot \phi \cdot I_A </math> und folglich wird das zulässige Drehmoment M proportional mit <math>\phi\,</math> kleiner.

:<math>L_E \frac{\mathrm d i_E}{\mathrm dt} = -R_E\ i_E + u_E \qquad \text{(2)}</math>
:<math>u_\mathrm{ind} = c_A \cdot \psi_E \cdot \omega </math>
:<math>\psi_E = \frac{1}{N_E} L_E\ i_E </math>
Darin ist
:<math>i_A\,</math> der Ankerstrom, <math>u_A\,</math> die Ankerspannung, <math>R_A\,</math> der Wicklungswiderstand, <math>L_A\,</math> die Induktivität der Ankerwicklung, <math>u_E\,</math> die Erregerspannung, <math>i_E\ </math> der Erregerstrom, der Wicklungswiderstand <math>R_E\ </math> und die Induktivität <math>L_E\,</math> der Erregerwicklung, <math>\omega\,</math> die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, <math>u_\mathrm{ind}\ </math> die im Anker induzierte Spannung, <math>\psi_E\ </math> der Erregerfluss, <math>\phi\,</math> der Luftspaltfluss, <math>n\,</math> die Drehzahl, <math>M\,</math> das Drehmoment, <math>k_1\,</math> und <math>k_2\,</math> je eine Maschinenkonstante.

Die Gleichungen des mechanischen Systems mit der Annahme, dass der Erregerkreis nicht gesättigt ist:
:<math>\frac{\mathrm d \alpha}{dt} = \omega \qquad \text{(3)}</math>
:<math>J \frac{\mathrm d \omega }{dt} = c_A\ \psi_E\ i_A - \tau _L \qquad \text{(4)}</math>

Darin ist
:<math>N_E\,</math> – die Anzahl der Windungen der Erregerwicklung, <math>J\,</math> das Massenträgheitsmoment des Ankers und aller damit starr verbundenen Massen, <math>\alpha\,</math> der Drehwinkel des Ankers, <math>\omega\,</math> die Winkelgeschwindigkeit des Ankers, <math>\tau _L\,</math> die Summe aller Lastmomente am Anker. <math>c_A\,</math> bezeichnet die sog. Maschinenkonstante.

Einige Gleichungen anders angeschrieben:
:<math> U_A = I_A \cdot R_A + L_A \cdot \frac{d I_A}{dt} + U_q </math>
:<math> U_E = I_E \cdot R_E + L_E \cdot \frac{d I_E}{dt} </math>
:<math> U_q = c \cdot n \cdot \Phi (I_E) </math>

dabei ist:
:<math>U_A\,</math>: Ankerspannung
:<math>U_E\,</math>: Erregerspannung
:<math>U_q\,</math>: induzierte Spannung
:<math>c</math>: Maschinenkonstante
:<math>\Phi</math>: magnetischer Fluss des Hauptfeldes

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor = Rolf Fischer
|Titel = Elektrische Maschinen
|Verlag = Hanser | Auflage = 14. | Jahr = 2009 | ISBN = 978-3-446-41754-0 }}
* {{Literatur
|Autor = Hans Otto Seinsch
|Titel = Grundlagen elektrische Maschinen und Antriebe
|Verlag = Teubner | Jahr = 1999 | ISBN = 3-519-06164-3 }}
* {{Literatur
|Autor = Klaus Fuest, Peter Döring
|Titel = Elektrische Maschinen und Antriebe
|Verlag = Vieweg | Auflage= 6. | Jahr = 2004 | ISBN = 3-528-54076-1 }}

== Weblinks ==
* [https://www.walter-fendt.de/html5/phde/electricmotor_de.htm walter-fendt.de] Animiertes Modell zum Prinzip des Elektromotors
* [https://www.walter-fendt.de/html5/phde/generator_de.htm walter-fendt.de] Animiertes Modell zum Prinzip des Generators
* {{Internetquelle|autor= |url=https://www.geogebra.org/m/h4qek3ds |titel=Interaktive Darstellung des Kennlinie fremderregter Gleichstrommaschinen |werk=[[GeoGebra]] |abruf=2021-08-26 |abruf-verborgen=1}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="fis1">
{{Literatur |Autor = Rolf Fischer | Titel = Elektrische Maschinen |Verlag = Hanser | Auflage = 14. | Seiten = 32 bis 33 | Jahr = 2009 | ISBN = 978-3-446-41754-0 }}
</ref>
</references>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4133265-9}}

[[Kategorie:Elektrische Maschine]]

Gleichstrommaschine - Versionsgeschichte

imported>GünniX: Tippfehler korrigiert