Traditionelle Gleichstrom-Bürstenmotoren (häufig in elektrischen Spielzeugen und Ventilatoren verwendet) basieren auf dem mechanischen Gleitkontakt zwischen stationären Kohlebürsten und einem rotierenden Kommutator. Dies wechselt die Stromrichtung in den Rotorwicklungen während der Drehung automatisch und erzeugt ein kontinuierliches elektromagnetisches Drehmoment.
Der Stator ist stationär. Bei einem einfachen Gleichstrommotor besteht er aus Permanentmagneten auf beiden Seiten des Gehäuses (N-Pol/rot links, S-Pol/blau rechts), die ein horizontales Magnetfeld von links nach rechts erzeugen.
Der Rotor ist die rotierende Baugruppe in der Mitte, die mit Kupferdrahtwicklungen umwickelt ist. Wenn sie unter Strom gesetzt werden, wirken diese Wicklungen als Elektromagnet. Ihre Magnetpole interagieren mit den Statormagneten („gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an“) und treiben den Rotor an.
Zwei halbrunde Kupfer-Kommutatorsegmente auf der Welle sind mit den Spulenenden verbunden. Zwei stationäre Kohlebürsten auf jeder Seite sind an die Gleichstromquelle angeschlossen. Wenn sich der Rotor dreht, berühren die Kommutatorsegmente abwechselnd die Bürsten und kehren die Stromrichtung der Spule automatisch um, wenn sie den vertikalen Totpunkt überschreitet, um eine kontinuierliche Drehung aufrechtzuerhalten!
In diesem interaktiven Modell zeigt die linke Seite den physikalischen Querschnitt des Gleichstrom-Bürstenmotors und die rechte Seite seinen Anschlusskreis. Wenn der Motor an Gleichstrom angeschlossen wird, fließt Strom durch die Bürsten in die Rotorwicklungen, wodurch ein elektromagnetisches Drehmoment entsteht. Der Rotor dreht sich unter magnetischer Anziehung. Jedes Mal, wenn sich der Rotor um 180° dreht und die Mittellinie passiert, überqueren die Lücken zwischen den Kommutatorsegmenten die Bürsten, wodurch sich die Polarität des in die Wicklungen fließenden Stroms umkehrt. Dies stellt sicher, dass die Drehmomentrichtung während der gesamten Drehung konsistent bleibt.
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| Schritt | Rotorwinkel | Bürsten-Kontakt (+) | Bürsten-Kontakt (-) | Elektromagnetisches Drehmoment | Spulenstrom |
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Der Kommutator besteht aus einer Reihe von Kupferkontaktsegmenten (zwei Segmente in diesem vereinfachten Modell), die auf der Rotorwelle montiert sind und sich mit ihr drehen. Die Bürsten sind stationäre Kohleblöcke, die durch Federn gegen den Kommutator gedrückt werden. Wenn sich der Rotor dreht, kontaktieren die Bürsten nacheinander verschiedene Segmente. Da eine Bürste positiv und die andere negativ ist, kehrt sich die Stromrichtung durch die Wicklungen jedes Mal mechanisch um, wenn der Rotor den vertikalen Mittelpunkt passiert. Dies stellt sicher, dass die Magnetpole des Rotors die Statormagnete immer so abstoßen und anziehen, dass ein kontinuierliches Drehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird.
Dies ist der größte Vorteil von Gleichstrom-Bürstenmotoren! Die Kommutierung wird vollständig mechanisch durch die Schnittstelle zwischen Bürste und Kommutator abgewickelt, die als physischer Schalter fungiert. Das bloße Anlegen einer Gleichspannung an die Anschlüsse lässt den Motor kontinuierlich laufen. Es sind keine Mikrocontroller (MCUs), Treiberchips (MOSFETs) oder Rotorpositions-Erfassungsalgorithmen erforderlich, was das System extrem kostengünstig und einfach macht.
Es gibt drei Hauptnachteile:
• Bürstenverschleiß und kurze Lebensdauer: Die ständige Gleitreibung zwischen den Bürsten und dem Kommutator nutzt die Kohlebürsten mit der Zeit ab, was eine regelmäßige Wartung oder einen Austausch erforderlich macht.
• Funkenbildung und elektromagnetische Interferenzen (EMI): Beim Umschalten der Bürstenkontakte kommt es aufgrund der Spuleninduktivität zu elektrischen Lichtbögen. Dies erzeugt winzige Funken (ungeeignet für explosionsgefährdete Umgebungen) und verursacht erhebliches elektrisches Rauschen, das nahegelegene Elektronik stört.
• Schlechte Wärmeableitung und Effizienz: Die wärmeerzeugenden Wicklungen befinden sich auf dem rotierenden Rotor, was eine direkte Wärmeübertragung auf das Außengehäuse erschwert und die Leistungsdichte des Motors einschränkt.
Das grundlegende Prinzip ist identisch. Um jedoch zu verhindern, dass der Motor am vertikalen Totpunkt von 90° stecken bleibt (wo er aus dem Stand nicht starten kann), verwenden praktische Spielzeugmotoren typischerweise einen 3-poligen Rotor (drei Kernzähne und drei Kommutatorsegmente). Dieses Design stellt sicher, dass bei jedem Winkel immer mindestens zwei Phasen bestromt sind, sodass der Motor aus jeder statischen Position zuverlässig selbst starten und mit einem gleichmäßigeren Drehmoment laufen kann.