Wie funktioniert ein Gleichstrommotor?
Der bürstenbehaftete Gleichstrommotor – oder auch Brushed-Direct-Current (BDC) genannt - ist die älteste, elektrische Maschine und wird in verschiedenen Bauformen hergestellt. Wenn von DC-Motoren gesprochen wird, werden in der Regel BDC-Motoren gemeint. Grundsätzlich bestehen diese aus einem Stator, einem Rotor und einem Kommutator.
Eine besonders kompakte Bauform ist der „permenent magnet“ (pm) erregte - oder auch permanenterregte - Gleichstrommotor, bei dem, anders als bei dem fremderregten Gleichstrommotor, das Magnetfeld über permanente Magnete erzeugt wird. Bei einem fremderregten Gleichstrommotor wird das Magnetfeld über eine Erregerwicklung im Stator erzeugt, die mit einem separaten Netzgerät versorgt werden muss. Der Rotor besitzt eine Wicklung, in die ein Strom eingeprägt wird, wodurch eine Drehbewegung zustande kommt. Das zugrunde liegende Prinzip, ist die Kraft auf stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld, die auch als Lorentz-Kraft bekannt ist.
Wie dreht sich der Rotor?
Damit sich der Motor dauerhaft dreht, muss sichergestellt sein, dass unter den Polen immer dieselbe Stromrichtung vorliegt. Das wird durch den Kommutator sichergestellt, der aus einzelnen Kupferlamellen besteht, an die die Wicklungsenden angebracht werden. Auf den Kommutator werden Kohlebürsten angebracht, die mit einer externen Spannung versorgt werden. Diese Bürsten schließen immer zwei Kupferlamellen des Kommutators kurz und stellen dadurch sicher, dass unter den Polen immer die gleiche Stromrichtung vorhanden ist.
Diese Art der Kommutierung kann in Gleichstrommotoren immer dann zu Problemen führen, wenn die Zeit für den Stromrichtungswechsel aufgrund von hohen Drehzahlen zu kurz ist oder zu wenige Lamellen vorhanden sind. In diesem Fall redet man von einer Unterkommutierung. Dadurch kann der Strom nicht schnell genug seine Richtung ändern und es kommt zu einem Funken, der auch Bürstenfeuer genannt wird, wodurch die Kohlebürsten schneller verschleißen und die Temperatur im Motor zusätzlich steigt.