Gleichstrommotor Funktionsweise und Aufbau

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Wie funktioniert ein Gleichstrommotor und wie ist sein Aufbau? All das erfährst du auf dieser Seite.

Ein Gleichstrommotor ist eine Maschine, mit der elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Im Gleichstrommotor wird ein sogenannter Rotor zu einer Drehbewegung gebracht. Die erzeugte Drehbewegung kann beispielsweise für den Betrieb von Haushaltsgeräten verwendet werden.

Ein Gleichstrommotor besteht aus zwei Hauptbauteilen, zum einen der Stator und zum anderen der Rotor. Der Stator ist ein Permanentmagnet und der Rotor ist ein elektrischer Leiter. In den meisten Gleichstrommotoren besteht der Rotor aus einem Eisenkern der von einer Spule umwickelt ist.

Sobald durch die Spule des Rotors ein Strom fließt, entsteht ein Magnetfeld. Der gesamte Rotor wird somit zu einem Elektromagnet, mit einem Nordpol und einem Südpol. Die magnetischen Pole des Rotors wechselwirken mit den magnetischen Polen des Stators. Gleiche Pole stoßen sich ab und entgegengesetzte Pole ziehen sich an. Der Rotor wird damit zu einer Drehbewegung gezwungen. Sobald die entgegengesetzten Pole des Rotors und des Stators sich gegenüberstehen, würde die Drehbewegung vom Rotor zum erliegen kommen.

Damit der Rotor sich weiter dreht, muss das Magnetfeld des Rotors umgepolt werden. Dies ist möglich, wenn die Stromrichtung innerhalb der Spule umgedreht wird. Das Umpolen der Stromrichtung zur richtigen Zeit wird durch den Kommutator (Polwender, Kollektor) gewährleistet.

Der Gleichstrommotor besteht aus zwei haupt Bauteilen, zum einen der unbewegliche Stator (Dauermagnet) und zum anderen der bewegliche Rotor.

Der Rotor ist drehbar gelagert und kann innerhalb des Stators rotieren. Der Rotor besteht aus einem Eisenkern (Anker) um den eine Spule gewickelt ist. Die Spule dient als elektrischer Leiter, der das Magnetfeld des Rotors erzeugt sobald der Strom fließt. An dem Rotor ist der sogenannte Kommutator (Kollektor) befestigt. Er dreht sich mit dem Rotor mit und sorgt für die rechtzeitige Umpolung des Stroms. Der Kommutator ist mit der Spule verbunden, über Schleifkontakte wird der Kommutator mit der Stromquelle verbunden.

Der Rotor ist das bewegliche Bauelement des Gleichstrommotors. Er wird auch oft als Anker bezeichnet, da seine Form an die eines Schiffsankers erinnert. Um den Anker ist eine Spule gewickelt. Eine Strom durchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. Dabei ist die Polung des Magnetfeldes von der Stromrichtung abhängig.

Über die Rechte-Hand-Regel kann man herausfinden wie das Magnetfeld einer Strom durchflossenen Spule gerichtet ist.

Im inneren der Spule verlaufen die magnetischen Feldlinien vom Südpol zum Nordpol. Außerhalb der Spule verlaufen sie vom Nordpol zum Südpol.

Der Stator vom Gleichstrommotor ist unbeweglich. Es handelt sich dabei um einen Dauermagnet (permanentmagnet). Seine Aufgabe besteht darin ein konstantes Magnetfeld zu erzeugen mit dem das Magnetfeld des Rotors wechselwirken kann.

In dem unteren Video ist die Funktionsweise vom Gleichstrommotor (Elektromotor) leicht erklärt.

Die Funktionsweise vom Gleichstrommotor beruht auf die Anziehung und Abstoßung von magnetischen Polen. Gleiche Pole stoßen sich ab und entgegengesetzte Pole ziehen sich an. Dieses Prinzip wird beim Gleichstrommotor ausgenutzt um eine Drehbewegung des Rotors zu erzeugen. Durch den Strom innerhalb der Spule wird eine Magnetfeld erzeugt. Der Rotor wird damit zu einem Magneten mit einem Nordpol und einem Südpol. Die gleichen Pole vom Rotor und Stator stoßen sich ab und die entgegengesetzten Pole ziehen sich an. Da der Rotor drehbar gelagert ist, fängt er an sich zu drehen. Die Drehbewegung würde jedoch zum erliegen kommen, sobald die entgegengesetzten Pole vom Rotor und Stator sich gegenüberstehen. Um die Drehbewegung aufrecht zu erhalten, muss das Magnetfeld des Rotor umgepolt werden. Dies wird durch eine Umkehrung der Stromrichtung innerhalb der Spule erreicht. Für die richtzeitige Umkehrung der Stromrichtung und damit des Magnetfeldes des Rotors ist der Kommutator verantwortlich. Seine Funktionsweise wird unten genauer erläutert. Für ein dauerhaftes laufen des Gleichstrommotors müssen die folgenden Schritte durchlaufen werden.

1. Zunächst befindet sich der Rotor in einer Senkrechten Position. Es fließt noch kein Strom durch die Spule. Daher besitzt der Rotor noch kein Magnetfeld. Es existiert noch keine Wechselwirkung zwischen dem Rotor und dem Stator.

2. Wird die Spannungsquelle angelgt, so fließt durch die Spule ein Strom. Die Stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. Der Rotor ist nun zu einem Magnet (Elektromagnet) geworden. Er besitzt ein Nordpol und ein Südpol. Die Wechselwirkung mit den magnetischen Polen des Stators wird in Gang gesetzt.

3. Die entgegengesetzten magnetischen Pole des Stators und des Rotors ziehen sich an und die gleichen Pole stoßen sich ab. Der Rotor wird zu einer Drehbewegung gezwungen. Jedoch nur bis die ungleichen Pole von Rotor und Stator sich gegenüberstehen. Der Rotor müsste nun zum stehen kommen. Diese Position, bei der die entgegengesetzten Pole zu einer gerichtet sind, nennt man optimale Ausrichtung.

4. Um zu verhindern, dass die Drehbewegung zum erliegen kommt, muss die magnetische Ausrichtung des Rotors umgepolt werden. Dies ist möglich, indem die Stromrichtung innerhalb der Spule umgedreht wird. Diese Aufgabe übernimmt der Kommutator (Kollektor). Sobald das Magnetfeld umgepolt ist, sind die gleichen Pole wieder zu einer gerichtet. Die Abstoßung zwischen den gleichen Polen führt zu der weiteren Drehung des Rotors.

Der Kommutator bzw. Kollektor sorgt für die rechtzeitige Umpolung vom Magnetfeld des Rotors. Dies geschieht über die Änderung der Stromrichtung innerhalb der Spule. Der Kommutator beim Drehstrommotor ist kreisförmig. Er besteht aus zwei Teilbereichen die Strom leitend sind und zwei Teilbereichen die isolierend sind. Die isolierenden Bereiche können auch aus "Luft" (eine Lücke) bestehen. In dem Fall würde der Kommutator nur aus zwei leitend Kreisbögen bestehen. Die leitenden Bereiche des Kommutators sind mit der Spule verbunden und über Schleifkontakte mit der Spannungsquelle. Der Strom fließt somit über den Kommutator zur Spule.

Während der Drehung des Rotors liegend die Schleifkontakte für eine gewisse Zeit an den leitenden Bereichen des Kommutator und für einen kurzen Moment an den isolierenden Bereichen des Kommutators.

Bevor der Rotor die optimale Ausrichtung erreicht hat (Bild 1) sind die Schleifkontakte mit dem leitenden Bereich des Kommutators verbunden. Der Strom fließt durch die Spule und der Rotor besitzt ein Magnetfeld. Sobald der Rotor die optimale Ausrichtung erreicht hat (Bild 2), liegen die Schleifkontakte an dem nicht leitenden Teil des Kommutator. Der Stromfluss innerhalb der Spule wird unterbrochen und das Magnetfeld des Rotos bricht zusammen. Der Rotor besitzt genügend Schwung um sich weiter zu drehen, bis die Schleifkontakte wieder mit dem leitenden Bereichen des Kommutator verbunden sind. Nun jedoch in der umgekehrten Polung (Bild 3).

Mit der umgekehrten Stromrichtung wird auch das Magnetfeld umgepolt. Die gleichnamigen magnetischen Pole des Rotors und des Stators sind gegenüber stehend und stoßen sich ab. Der Rotor dreht sich solange weiter, bis die optimale Ausrichtung wieder erreicht ist, wo der Kommutator wieder eine Umpolung verursacht und der Prozess von neu beginnt.