Gleichstrommotor

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Elektrische Energie (Strom)	Mechanische Energie (Rotation)	Thermische Energie (Wärme)

Kurzbeschreibung

Physikalisches Prinzip: Lorentzkraft bewirkt ein Drehmoment im Gleichstrommotor durch abstoßende Magnetfelder.

Motorprinzip: Kommutator ändert Polrichtung der Rotorspule.

Funktionsskizze

Funktionsweise Gleichstrommotor

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Wirkungsgrad im Motorbetrieb:

$\eta = \dfrac{E_\mathrm{mech}}{E_\mathrm{el}}$

Wirkungsgrad im Generatorbetrieb:

$\eta = \dfrac{E_\mathrm{el}}{E_\mathrm{mech}}$

Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten der abgegebenen und zugeführten Leistung. Die Differenz ist die Verlustleitung. Die Verlustleistung ergibt sich zum größten Teil aus den Kupferverlusten des Stators für n Phasen mit dem Widerstand R und dem effektiven Phasenstrom I_eff:

$P_\mathrm{vs} = n\ R\ I_\mathrm{eff}^2$

Die Rotorverluste ergeben sich im equivalenten Ersatzschaltbild aus den quadrierten induzierten Strömen mal dem equivalenten Rotorwiderstand.

$P_\mathrm{vr} = R\ I_\mathrm{rotor, eff}^2$

Eisenverluste im Stator und Rotor können über die Steinmetzgleichung angenähert werden und sind sehr stark vom Herstellungsverfahren und der Geometrie abhängig.

$P_\mathrm{ve} = k\ B^\alpha\ f^\beta$

Wirkungsgrad bis zu 60–99 %

(Fischer 2006)

Bauarten

Es existieren sehr viele Bauformen von Gleichstrommotoren, die in die Folgenden zerlegt werden können:

Innenläufer selbstgekühlt
Innenläufer fremdgekühlt
Außenläufer selbstgekühlt
Außenläufer fremdgekühlt

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Innenläufer selbstgekühlt	Innenläufer fremdgekühlt	Außenläufer selbstgekühlt	Außenläufer fremdgekühlt
Typisches Lastprofile	In Abhängigkeit der Regelungsvariante: konstant, taktend, kontinuierlich (Fischer 2006)
Maximale Schalthäufigkeiten	Dauerbetrieb (S1-Betrieb) (Fischer 2006)
Typische Anfahrzeiten	Mechanische Zeitkonstante (von einigen Millisekunden bis Sekunden je nach Aufbau) (Fischer 2006)
Regelbarkeit	Stufenlose Regelbarkeit. Entweder komfortabel über Regelkreis oder Betrieb als Reihenschlussmaschine, Nebenschlussmaschine, Verbundmaschine und fremderregte Maschine. (Fischer 2006)
Drehmomentregelung	Stromregelkreis (i. d. R. über PI-Regler) (Weck 2006)
Drehzahlregelung	Kaskadierter Regelkreis aus Strom und Drehzahl (2 PI-Regler) mit/ohne (Drehzahl-) Geber (Weck 2006)
Lageregelung	Kaskadierter Regelkreis aus Strom, Drehzahl und Lage mit/ohne Winkel- und Positionsgeber. Von einer genauen Positionierung ist auch mit Geber abzusehen.

Energetische Kennwerte

Bauart	Innenläufer selbstgekühlt	Innenläufer fremdgekühlt	Außenläufer selbstgekühlt	Außenläufer fremdgekühlt
Verfügbare Leistungsklassen	Bis 1610 kW (Siemens)
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung	Siehe Berechnung der Verluste
Nutzbarer Anteil der Verlustleistung	Sehr variabel, da Verlustleistung sehr genau vorhergesagt werden kann. Dieser Anteil kann durch spezielle Ansteuerung erhöht oder vermindert werden.
Verfügbare Energieniveaus	Eher mechanische Beschränkungen (bis 44.500 Nm und 3.600 min^-1)

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Innenläufer selbstgekühlt	Innenläufer fremdgekühlt	Außenläufer selbstgekühlt	Außenläufer fremdgekühlt
Kosten/kWh	Keine gesicherten Angaben Eigenschätzung für Kleinantriebe: ca. 0,0001–0,05 €
€ Invest/kW	Keine gesicherten Angaben Eigenschätzung (je nach Größe/Bauform/Stückzahl): ca. 10–500
Platzbedarf/kW	Abhängig von Anzahl der Pole (Drehmoment-Drehzahl) Eigenschätzung: ca. > 2.9568e-05 m³/kW
Wartungs- und Instandhaltungskosten/kWh	Keine gesicherten Angaben Abhängig i. d. R. von Wartungskosten der Lager und Kosten zum Austausch der Bürsten
Typische Lebensdauer/h	Bei Kleinantrieben ist die Ausfallwahrscheinlichkeit bei 10 % bei 3.000 h. Der Bereich geht aber je nach Motor bis 100.000 h und 99 % Ausfallwahrscheinlichkeit (Köder 2009)

Technologische Kennwerte

Ökobilanz

Unterschiedlich (Mit seltenen Erdenmagneten sehr schlecht, besser: Ferritmagneten oder Fremderregung)

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Entwicklungstendenz

Es gibt bürstenlose Gleichstrommotoren, die weniger wartungsintensiv und teilweise auch effizienter sind. Diese zählen aber offiziell/physikalisch zu den Synchronmotoren und werden dort behandelt.

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

Einfache Regelbarkeit
hohe Dynamik
hohe Torsionssteifigkeit
Kosteneffizient
Geräuscharm

Nachteile

Wartungsintensiv wegen Kohlebürsten
Niedrige Überlastungsfähigkeit (u. a. wegen Bürstenfeuer)

(Weck 2016)

Anwendungsbeispiele

Universalmotoren in Handwerkermaschinen (Bohrmaschine, Handkreissäge, etc.), Küchengeräte (Küchenmaschine etc.)
Früher auch in Produktionsmaschinen (z. B. Servoachen in Werkzeugmaschinen) und größeren Bearbeitungsmaschinen (z. B. Walzen), die sehr fein gesteuert werden müssen

Literaturverzeichnis

Fischer, R. (2006): Elektrische Maschinen. Hanser-Verlag
Köder, T.; Schinköthe, W. (2009): Lebensdauerangaben bei Kleinantrieben. Hg. v. Universität Stuttgart
Weck, M.; Brecher, C. (2006): Werkzeugmaschinen 3: Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe, Prozessdiagnose. Springer-Verlag

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht