Gleichstrommotor mit Bürsten

Gleichstrommotor mit Permanentmagnet
Der Gleichstrommotor mit Permanentmagneten (PMDC-Motor) ist der häufigste unter den Gleichstrommotoren mit Bürsten. Die Induktivität dieses Motors enthält Permanentmagnete, die ein Magnetfeld des Stators erzeugen. Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten werden normalerweise bei Aufgaben eingesetzt, die keine hohe Leistung erfordern. PMDC-Motoren sind in der Herstellung billiger als Gleichstrommotoren mit Wicklungsfeld. Gleichzeitig wird das Drehmoment des PMDC-Motors durch das Feld der Permanentmagnete des Stators begrenzt. Der PMDC-Motor reagiert sehr schnell auf Spannungsänderungen. Dank des konstanten Felds des Stators ist es einfach, die Drehzahl des Motors zu steuern. Der Nachteil eines PMDC-Motors besteht darin, dass die Magnete mit der Zeit ihre magnetischen Eigenschaften verlieren, wodurch das Statorfeld schwächer wird und die Motorleistung abnimmt.

Fremderregte und Nebenschlussmotoren
Bei fremderregten Elektromotoren ist die Feldwicklung nicht elektrisch mit der Ankerwicklung verbunden (Abbildung oben). Normalerweise unterscheidet sich die Erregerspannung UFW von der Spannung im Ankerkreis U. Wenn die Spannungen gleich sind, ist die Feldwicklung parallel zur Ankerwicklung geschaltet. Die Verwendung eines fremderregten oder Nebenschlussmotors im elektrischen Antrieb wird durch das elektrische Antriebsschema bestimmt. Die Eigenschaften (Kennlinien) dieser Motoren sind gleich. Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren mit Nebenschluss sind die Ströme der Feldwicklung (Induktor) und des Ankers unabhängig voneinander, und der Gesamtmotorstrom ist gleich der Summe des Feldwicklungsstroms und des Ankerstroms. Während des normalen Betriebs erhöht eine Erhöhung der Versorgungsspannung den Gesamtstrom des Motors, was zu einer Erhöhung der Stator- und Rotorfelder führt. Mit einer Erhöhung des Gesamtmotorstroms erhöht sich auch die Drehzahl und das Drehmoment verringert sich. Wenn die Motorlast erhöht wird, erhöht sich der Ankerstrom, was zur Folge hat, dass das Ankerfeld zunimmt. Mit zunehmendem Ankerstrom verringert sich der Induktorstrom (Feldwicklungsstrom), was zu einer Verringerung des Induktorfelds führt, was wiederum eine Verringerung der Motordrehzahl und eine Erhöhung des Drehmoments zur Folge hat.
Ein Nebenschluss-Gleichstrommotor weist eine Drehmoment-/Drehzahlkennlinie mit abnehmendem Drehmoment bei hohen Drehzahlen und hohem, aber konstanterem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen auf. Der Strom in der Spulenwicklung und im Anker hängt nicht voneinander ab, daher ist der Gesamtstrom des Elektromotors gleich der Summe der Ströme der Spule und des Ankers. Daher weist dieser Motortyp hervorragende Drehzahlregelungseigenschaften auf. Nebenschluss-Gleichstrommotoren mit Bürsten werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine Leistung von mehr als 3 kW erfordern, insbesondere in der Automobilindustrie und in der Industrie. Im Vergleich zu PMDC-Motoren verliert ein Nebenschluss-Gleichstrommotor seine magnetischen Eigenschaften mit der Zeit nicht und ist zuverlässiger. Die Nachteile eines Nebenschluss-Gleichstrommotors mit Bürsten sind höhere Kosten und die Möglichkeit eines Motordurchgehens, wenn der Spulenstrom auf Null abfällt, was wiederum zu einem Motorausfall führen kann.

Gleichstrommotor mit Reihenschluss
Bei reihengeschalteten Gleichstrommotoren mit Bürsten ist die Feldwicklung in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet und der Erregerstrom ist gleich dem Ankerstrom (Ie=Ia), was den Motoren besondere Eigenschaften verleiht. Bei geringer Belastung, wenn der Ankerstrom kleiner als der Nennstrom ist (Ia < Irat) und das Magnetsystem des Motors nicht gesättigt ist (Ф ~ Iа), ist das elektromagnetische Drehmoment proportional zum Quadrat des Stroms in der Ankerwicklung.
M=cm∙Ф∙Ia=c'm∙Ia^2, wobei M das Motordrehmoment N∙m ist, сМ ein konstanter Koeffizient ist, der durch die Konstruktionsparameter des Motors bestimmt wird, Ф der Hauptmagnetfluss Wb ist und Ia der Ankerstrom A ist.
Bei zunehmender Belastung wird das Magnetsystem des Motors gesättigt und die Proportionalität zwischen Strom Ia und Magnetfluss Ф wird gestört. Bei deutlicher Sättigung nimmt der Magnetfluss Ф bei zunehmendem Ia praktisch nicht zu. Die Kurve der Abhängigkeit M=f(Ia) hat im Anfangsteil (wenn das Magnetsystem nicht gesättigt ist) die Form einer Parabel, weicht dann bei Sättigung von der Parabel ab und wird im Bereich großer Belastungen zu einer geraden Linie.
Der Gleichstrommotor mit Reihenschluss und Bürsten hat bei niedriger Drehzahl ein hohes Drehmoment und erreicht ohne Last eine hohe Drehzahl. Dieser Elektromotor ist ideal für Geräte, die ein hohes Drehmoment entwickeln müssen (Kräne und Winden), da der Strom des Stators und des Rotors unter Last zunimmt. Im Gegensatz zu PMDC-Motoren und Nebenschluss-Gleichstrommotoren mit Bürsten haben die Gleichstrommotoren mit Reihenschluss nicht die exakten Eigenschaften einer Drehzahlregelung und können im Falle eines Kurzschlusses der Feldwicklung unkontrollierbar werden.

Gleichstrommotor mit Verbundwicklung
Ein Gleichstrommotor mit zusammengesetzten Wicklungen und Bürsten hat zwei Feldwicklungen, von denen eine parallel zur Ankerwicklung und die zweite in Reihe geschaltet ist. Das Verhältnis zwischen den Magnetisierungskräften der Wicklungen kann unterschiedlich sein, aber normalerweise erzeugt eine der Wicklungen eine große Magnetisierungskraft und diese Wicklung wird als Hauptwicklung bezeichnet, die zweite als Hilfswicklung. Wenn die Wicklungen so angeschlossen sind, dass das Reihenfeld das Nebenschlussfeld unterstützt, wird der Motor als kumulativer zusammengesetzter Gleichstrommotor mit Bürsten bezeichnet. Wenn die Wicklungen hingegen so angeschlossen sind, dass die beiden Felder einander entgegenwirken, wird der Motor als differentieller zusammengesetzter Gleichstrommotor mit Bürsten bezeichnet. Die Drehzahlkennlinien eines kumulativen zusammengesetzten Gleichstrommotors mit Bürsten liegen zwischen den Drehzahlkennlinien von Nebenschluss- und Reihenschluss-Gleichstrommotoren. Eine entgegengesetzte Wicklungsschaltung (differentielle Zusammensetzung) wird verwendet, wenn eine konstante Drehzahl oder eine Erhöhung der Drehzahl mit zunehmender Last erforderlich ist. Somit ähneln die Leistungskennlinien eines Gleichstrommotors mit zusammengesetzten Wicklungen denen eines Nebenschluss- oder Reihenschluss-Gleichstrommotors mit Bürsten, je nachdem, welche Feldwicklung die Hauptrolle spielt.
Gleichstrommotoren mit zusammengesetzten Bürsten haben die Leistungsmerkmale von Gleichstrommotoren mit Nebenschluss- und Reihenschlussbürsten. Sie haben ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl sowie eine gute Drehzahlregelung wie ein Gleichstrommotor mit Nebenschlussbürsten. Ein Durchgehen des Gleichstrommotors mit zusammengesetzten Bürsten ist weniger wahrscheinlich, da der Nebenschlussstrom auf Null abfallen und die Reihenschlussfeldwicklung kurzgeschlossen werden sollte.

Die Umgebung, in der ein Bürsten-Gleichstrommotor verwendet wird, spielt eine wichtige Rolle für den Lebenszyklus eines Bürsten-Gleichstrommotors und anderer elektrischer und elektronischer Geräte im System. Trockene, warme Umgebungen können den Verschleiß der Bürsten erhöhen und den Ausfall des Kommutators und der Lager beschleunigen, was letztlich die Lebensdauer des Motors verkürzt. Der Betrieb des Bürsten-Gleichstrommotors in einer kühleren Umgebung mit externer Kühlung durch Druckluft kann zu einer besseren Leistung des Bürsten-Gleichstrommotors führen. Extreme Temperaturabfälle können jedoch möglicherweise die Viskosität der Schmiermittel des Bürsten-Gleichstrommotors erhöhen, was dazu führt, dass er mit einem höheren Strom läuft.

Die folgenden Umwelt- und Sicherheitsaspekte müssen während aller Phasen des Betriebs, der Wartung und Reparatur eines Gleichstrommotorsystems mit Bürsten beachtet werden. Die Nichtbeachtung dieser Vorsichtsmaßnahmen verstößt gegen die Sicherheitsstandards für Design, Herstellung und beabsichtigte Verwendung des Gleichstrommotors mit Bürsten und des Controllers (falls ebenfalls verwendet). Bitte beachten Sie, dass selbst bei einem gut gebauten Gleichstrommotor mit Bürsten, unsachgemäß betriebene und installierte Produkte gefährlich sein können. Der Benutzer muss hinsichtlich der Last und der Betriebsumgebung Vorsichtsmaßnahmen treffen. Der Kunde ist letztendlich für die ordnungsgemäße Auswahl, Installation und den Betrieb des Gleichstrommotorsystems mit Bürsten verantwortlich.

Die Umgebung, in der ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor verwendet wird, muss den guten allgemeinen Umgang mit elektrischen/elektronischen Geräten fördern. Betreiben Sie den bürstenbehafteten Gleichstrommotor nicht in Gegenwart von entflammbaren Gasen, Staub, Öl, Dampf oder Feuchtigkeit. Bei Verwendung im Freien müssen der bürstenbehaftete Gleichstrommotor und die Steuerung durch eine geeignete Abdeckung vor Witterungseinflüssen geschützt werden, wobei jedoch eine ausreichende Belüftung und Kühlung gewährleistet sein muss. Feuchtigkeit kann zu Stromschlägen führen und/oder einen Systemausfall verursachen. Flüssigkeiten und Dämpfe jeglicher Art müssen unbedingt vermieden werden. Wenden Sie sich an den Hersteller, wenn Ihre Anwendung bestimmte IP-Bewertungen erfordert. Es ist ratsam, den bürstenbehafteten Gleichstrommotor und die Steuerung in einer Umgebung zu installieren, die frei von Kondensation, Staub, elektrischem Rauschen, Vibrationen und Stößen ist.

Darüber hinaus ist es vorzuziehen, mit dem Bürsten-Gleichstrommotorsystem in einer nicht statischen, geschützten Umgebung zu arbeiten. Freiliegende Schaltkreise sollten immer ordnungsgemäß geschützt und/oder umschlossen werden, um unbefugten menschlichen Kontakt mit stromführenden Schaltkreisen zu verhindern. Bei eingeschalteter Stromversorgung sollten keine Arbeiten durchgeführt werden. Stecken Sie die Stecker nicht ein oder aus, wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist. Warten Sie nach dem Ausschalten der Stromversorgung mindestens 5 Minuten, bevor Sie Inspektionsarbeiten am Bürsten-Gleichstrommotor und dem Steuerungssystem durchführen, da auch nach dem Ausschalten der Stromversorgung noch etwas elektrische Energie in den Kondensatoren des internen Schaltkreises der Steuerung verbleibt.