Gleichstrommotor

Definition und Bedeutung des Gleichstrommotors

Der Gleichstrommotor spielt eine unverzichtbare Rolle in der modernen Technologie. Ob in einer Bohrmaschine oder einem elektrischen Rasenmäher - Gleichstrommotoren sind überall um uns herum.

Aufbau und Funktion des Gleichstrommotors

Ein Gleichstrommotor besteht aus mehreren wichtigen Teilen: dem Stator, dem Rotor, der Bürste und dem Kommutator. Jeder dieser Teile erfüllt eine spezifische Funktion im Betrieb des Motors.

• Stator: Der statische Teil des Motors, der das Magnetfeld erzeugt.
• Rotor: Der rotierende Teil des Motors, der das Drehmoment erzeugt.
• Bürste: Verbindet die Stromquelle mit dem Kommutator.
• Kommutator: Dient zur Umkehr der Stromrichtung.

Für die Funktionsweise des Gleichstrommotors ist vor allem die Lorenzkraft verantwortlich. Sie bewirkt, dass sich die Elektronen in einem Leiter bewegen, wenn ein Magnetfeld auf sie einwirkt. In Formel ausgedrückt: $$F=q\cdot (v\times B)$$ wo: - $F$ die Lorenzkraft, - $q$ die Ladung des Teilchens, - $v$ die Geschwindigkeit des Teilchens, - $B$ die magnetische Flussdichte ist.

Beispiele für Einsatzgebiete des Gleichstrommotors

Aufgrund seiner Eigenschaften bietet der Gleichstrommotor Lösungen für verschiedene Anwendungen. So finden sie beispielsweise Anwendung in:

• Haushaltsgeräten
• Fahrzeugen
• Werkzeugen
• Computer- und Kommunikationstechnik

Kennlinie eines Gleichstrommotor leicht erklärt

Die Kennlinie eines Gleichstrommotors ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Spannung, Strom und Drehzahl. Sie ist besonders nützlich, um die Leistung eines Motors zu verstehen und zu optimieren.

Drehzahlregelung bei einem Gleichstrommotor

Für viele Anwendungen von Gleichstrommotoren ist die Fähigkeit, die Drehzahl präzise zu steuern, von entscheidender Bedeutung. Von Industriemaschinen bis hin zu elektrischen Fahrzeugen ermöglicht die Drehzahlregelung eine präzise Steuerung der Geschwindigkeit des Motors, wodurch eine effiziente Leistung sichergestellt wird.

Grundlagen der Drehzahlregelung

Die Grundlagen der Drehzahlregelung orientieren sich an den wesentlichen Funktionen des Gleichstrommotors. Zwei zentrale Merkmale, die Strom- und Drehzahlregelung ermöglichen, sind die magnetische Flussdichte des Stators und die angelegte Spannung am Rotor.

• Feldsteuerung: Diese Methode steuert die Drehzahl des Motors, indem sie den magnetischen Fluss im Stator verändert. Da der magnetische Fluss proportional zur erzeugten elektromagnetischen Kraft ist, führt eine Änderung des magnetischen Flusses zu einer Änderung in der Drehzahl.
• Ankersteuerung: Diese Methode steuert die Drehzahl des Motors, indem sie die angelegte Spannung am Anker (Rotor) ändert. Da die Spannung am Rotor proportional zur Drehzahl ist, führt eine Änderung der Spannung zu einer Änderung in der Drehzahl.

Funktionsweise der Drehzahlregelung bei einem Gleichstrommotor

Die Drehzahlregelung ist eine Methode zur Steuerung der Effizienz und Leistung eines Gleichstrommotors. Durch das Ändern des magnetischen Flusses oder der Ankerspannung kann die Drehzahl des Motors präzise angepasst werden.

Beim Feldsteuerungsverfahren im Detail ändert sich die Drehzahl $n$ des Motors je nach Feldstärke und Formel $n=\frac{k_m}{\mathrm{\Phi }}\cdot U_a-R_a\cdot \frac{I_a}{\mathrm{\Phi }}$. Dabei sind: Bei der Ankersteuerungsverfahren hingegen wird die Drehzahl $n$ des Motors geregelt durch Anpassung der Ankerspannung, wobei $n=\frac{U_a-I_a{R}_a}{k_m\mathrm{\Phi }}$. Hierbei sind die Symbole folgendermaßen definiert:

Gleichstrommotor in den Ingenieurwissenschaften

In den Ingenieurwissenschaften spielen Gleichstrommotoren eine entscheidende Rolle. Ihre weitreichenden Anwendungen erstrecken sich über verschiedenste Ingenieurdisziplinen wie Maschinenbau, Elektrotechnik, Luft- und Raumfahrt bis hin zur Automobilindustrie. Dank ihrer Fähigkeit, elektrische Energie effizient in mechanische Arbeit umzuwandeln, sind Gleichstrommotoren zu einem unverzichtbaren Bestandteil der heutigen technologischen Landschaft geworden.

Anwendung von Gleichstrommotoren in den Ingenieurwissenschaften

Die in Gleichstrommotoren involvierten technischen Prinzipien und Designs machen sie zu einem integralen Bestandteil vieler ingenieurwissenschaftlicher Systeme und Anwendungen. Ein Kernprinzip hierbei ist das der elektromagnetischen Bewegung. Hier werden magnetische Kräfte genutzt, um die Rotorbewegung zu erreichen. Eine der gängigsten Anwendungen von Gleichstrommotoren ist in Elektrowerkzeugen wie Handbohrmaschinen und Stichsägen zu finden. Hierbei wird die Batteriespannung langsamer verbraucht und eine zuverlässige Leistung geliefert. Auch in der Automatisierungstechnik sind Gleichstrommotoren weit verbreitet. Sie steuern Bewegungsabläufe bei der Fertigung und Montage von Produkten, indem sie mechanische Teile bewegen, drehen und positionieren. Dies sind nur einige wenige Beispiele aus einer Vielzahl von Anwendungen. Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass die Ingenieurwissenschaften ohne diese unverzichtbaren Bauteile gar nicht denkbar wären.

• Werkzeugmaschinen: Gleichstrommotoren werden verwendet, um Werkzeugmaschinen anzutreiben und deren Leistung zu steuern. Insbesondere in Fräs-, Bohr- und Schneidmaschinen finden sie breite Anwendung.
• Automobilindustrie: In elektrischen Fensterhebern, Scheibenwischern und Kühllüftern werden Gleichstrommotoren zur Erzeugung der benötigten mechanischen Bewegung eingesetzt.
• Robotik und Automation: Gleichstrommotoren spielen eine zentrale Rolle in der Steuerung robotischer Systeme und automatisierten Produktionslinien.

Praxisbeispiele für Gleichstrommotoren in den Ingenieurwissenschaften

Ein konkretes Beispiel für die Anwendung von Gleichstrommotoren in den Ingenieurwissenschaften ist das elektrische Antriebssystem eines modernen Elektroautos. Hier werden Gleichstrommotoren genutzt, um die Batterieleistung in mechanische Arbeit umzuwandeln und so das Fahrzeug anzutreiben. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von Gleichstrommotoren in der Luft- und Raumfahrttechnik. So werden zum Beispiel Satellitenantennen von Gleichstrommotoren ausgerichtet, um eine optimale Signalübertragung zu gewährleisten. Auch in industriellen Fertigungsanlagen sind Gleichstrommotoren unverzichtbar. Hier steuern sie zum Beispiel Förderbänder, die automatisierte Produktionslinien mit den benötigten Teilen versorgen. Es sollte angemerkt werden, dass alle oben genannten Anwendungen spezifische Anforderungen an die Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit der Motoren stellen. Dies erfordert ein tiefgehendes Verständnis der Funktionsweise und Charakteristiken von Gleichstrommotoren und illustriert ihre Relevanz in den Ingenieurwissenschaften.