Darf man Gleichstrommotoren (DC-Motoren) umpolen? 1.0.0

Diese kurze Abhandlung stellt allgemeing. Informationen zu Drehzahlen und Drehrichtungen von Gleichstrommotoren (DC-Motoren) bereit.

Darf man Gleichstrommotoren (DC-Motoren) umpolen?


Es ist technisch uneingeschränkt möglich, hängt aber auch von der jeweiligen Situation ab. Im Gleichstrombetrieb ergeben sich andere Bedingungen als z. B. im Betrieb hinter dem Drehzahlsteller.



I. Gleichstrombetrieb


Gleichstrommotoren (nachfolgend DC-Motoren genannt) sind industrielle Massenproduckte, die je nach Verwendungszweck produziert und gemäß Verwendungszweck eingesetzt werden, z.B. als Scheibenwischermotor in Kfz.


Diese DC-Motoren laufen immer unter:

  • der gleich hohen Betriebsspannung (Gleichspannung = DC-Spannung),
  • der gleichen Belastung,
  • dem gleich hohen Strom,
  • in dieselbe Richtung.

Es ist physikalisch bedingt, daß im Betrieb, durch die beiden magnetischen Felder im DC-Motor, die sogenannte „Neutrale Zone“ 1 gegen die Drehrichtung verschoben wird. Die Verschiebung der neutralen Zone wird allgemein mit Feldverzerrung bezeichnet. Die Feldverzerrung verursacht am Kollektor ein erhöhtes Bürstenfeuer, welches seinerseits auch Funkstörungen erzeugt, in Form hochfrequenter Wellen. Das Bürstenfeuer kann auf sein Minimum abgesenkt werden, indem man die Kohlebürsten auf dem Kollektor soweit verdreht, daß das Bürstenfeuer minimiert wird. Damit erhält der DC-Motor eine Vorzugsdrehrichtung. Bei diesen DC-Motoren ist der PLUS-Anschluß markiert.


Selbstverständlich werden auch DC-Motoren benötigt die in beide Richtungen gleichermaßen laufen müssen (z.B. Kfz-Fensterheber). Diese DC-Motoren haben dann, verständlicherweise, keine Bürstenverstellung der neutralen Zone.


Die Kollektoren der DC-Motoren sind jeweils auf ein Standardmaß (Durchmesser) abgedreht (normiert). Die Motorkohlen/-Bürsten werden angepaßt für den jeweiligen Motorentyp gefertigt. Damit ist die optimale Stromübertragung gegeben. Kohlebürsten werden durch Federn jeweils, der Aufgabe entsprechend, mit dem notwendigen Druck auf die Kollektoren gepreßt. Damit ist der optimale Kontakt für die Stromübertragung hergestellt.


Ein Bedarfsträger wählt, auf der Grundlage technischer Daten, die für sein Projekt benötigten DC-Motoren, mit oder ohne Bürstenverstellung, aus dem sehr umfangreichen Industrieangebot aus. Gegebenenfalls läßt er die benötigten DC-Motoren anfertigen.



II. Geregelter Betrieb


DC-Modellbaumotoren kommen weitestgehend, aus welchen Gründen auch immer, aus der Industriefertigung. Selbstverständlich gibt es darüber hinaus spezielle, für den Modellbau, gefertigte DC-Modellbaumotoren. DC-Modellbaumotoren werden prinzipiell über Drehzahlsteller betrieben, erhalten keine konstante Betriebsspannung und benötigen damit auch keine angepaßte Vorzugsdrehrichtung. Dennoch haben DC-Modellbaumotoren, im Allgemeinen, eine Vorzugsdrehrichtung (PLUS-Markierung).


DC-Modellbaumotoren werden situationsbedingt über die Betriebsspannung in ihrer Drehzahl und in ihrer Drehrichtung geregelt. Mit jeder Drehzahländerung und Drehrichtungsänderung ändern sich Motorspannung und Motorstrom. Der steigende Motorstrom erhöht das Rotormagnetfeld und die Motordrehzahl. Mit zunehmender Motordrehzahl steigt die individuelle Feldverzerrung und folglich das Bürstenfeuer. Sind Vorzugsdrehrichtung und angewandte Drehrichtung gleichgerichtet können sie sich positiv beeinflussen, bis die gegebene Vorzugsdreheinstellung überschritten wird, denn dann steigt das Bürstenfeuer stark störend an. Widerspricht die Vorzugsdrehrichtung der Motordrehrichtung, so wird das Bürstenfeuer erheblich verstärkt.


Da das störende Bürstenfeuer in DC-Modellbaumotoren ohnehin nicht zu verhindern ist kann man es in Kauf nehmen, daß durch Umpolung von Spannung und Strom das Bürstenfeuer verstärkt wird.


Müssen DC-Modellbaumotoren umgepolt werden, z. B. im Parallelbetrieb, dann ist es empfehlenswert, Motoren ohne Vorzugslaufrichtung zu verwenden. Die elegante Lösung jedoch ist die Wahl von Motoren mit zwei zugänglichen Wellenenden. Man montiert den Motor der gegenläufig drehen soll um 180° gewendet und erhält damit eine Drehrichtungsumkehr.



1 Anhang


Neutrale Zone = Stromumpolungszone

Die neutrale Zone ist der Bereich, in dem die Polung des Stromes umgeschaltet werden muß, der sich im Motorbetrieb gegen die Drehrichtung verschiebt.


Spannungspegel

  • Pulsspannung = Spitzenspannung (Umax),
  • Durchschnittsspannung = Arithmetisches Mittel der Spannung (Um),
  • Effektivspannung = Effektivspannung (Ueff).

Zur Berechnung der DC-Motorspannung müssen drei unterschiedlichen Spannungswerten berücksichtigt werden, die von dem Ausgangssignal des Drehzahlstellers abgeleitet werden. Da ist zunächst die Spitzenspannung (Umax) des Ausgangssignals. Der nächste Meßwert ist die Durchschnittsspannung (Um), die sich aus dem Arithmetisches Mittel des Puls-/Pausenverhältnisses errechnet. Dieser Wert wird auch als Mittelwert bezeichnet.


Um = Umax · Tastgrad


Der dritte und wesentliche Spannungswert ist die wirksame Spannung, die sogenannte Effektivspannung (Ueff). Für die Berechnung der DC-Motorleistungsdaten muß Ueff des Ausgangssignals des Drehzahlstellers ermittelt werden. Ueff errechnet sich aus Umax multipliziert mit der Wurzel des Tastgrades.


Ueff = Umax · √Tastgrad

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