Der DC Motor, auch Gleichstrommotor genannt, gehört der Klasse der Elektromotoren an und dient primär zur Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Die meisten Konstruktionsformen des DC Motors beruhen vor diesem Hintergrund auf Magnetkräften und verfügen über interne Mechanismen elektronischer oder elektromechanischer Art. Charakteristisch für konventionelle Gleichstrommotoren ist zudem der Kommutator, welcher die Richtung des Stromflusses innerhalb des Motors periodisch ändert. Eine für zahlreiche Anwendungsbereiche leistungsstärkere Abwandlung des klassischen DC Motors stellt der bürstenlose DC Motor dar – dieser verzichtet auf Schleifkontakte und bietet daher unter anderem eine erhöhte Lebensdauer.

Trotz zunehmender Nutzung von und großer Rivalität mit AC Motoren, die als Drehstrommotoren ebenfalls den Elektromotoren zugeordnet werden, sind DC Motoren auch heute noch von enormer Bedeutung. Sie finden aufgrund ihrer Eigenschaften – insbesondere der präzisen und äußerst variablen Regelbarkeit von Drehzahl und Drehmoment – in diversen industriellen Applikationen Einsatz. Beispielhaft hierfür stehen die Servoantriebe der Baureihe PMA der Harmonic Drive AG, welche sich aus einem hochdynamischen Gleichstrommotor mit Inkrementalgeber und der Getriebebox PMG zusammensetzen. Sie eignen sich optimal für Anwendungen der Halbleiterindustrie, der Medizintechnik als auch für den Einsatz in Mess- und Prüfmaschinen.

Aufbau und Funktionsweise des DC Motors

Der Aufbau des klassischen DC Motors folgt einer schlichten Konstruktionsweise und bezieht verhältnismäßig wenige Komponenten ein. Tragende Elemente sind hierbei in erster Linie Stator und Rotor. Als unbewegliche, feststehende Komponente besteht der Stator meist aus einem Elektromagneten oder – vorrangig bei kleinen Maschinen – aus einem Permanentmagneten. Im Inneren des Stators lagert mit dem Rotor, auch Anker genannt, ein drehbares Bauteil, welches bei konventionellen DC Motoren ebenfalls aus einem Elektromagneten gefertigt ist. Gleichstrommotoren mit beschriebener Anordnung von Stator und Rotor werden als Innenläufer bezeichnet, während ein entgegengesetzter Aufbau dem eines sogenannten Außenläufers gleichkommt.

Die Wicklungen des Rotors werden mithilfe eines Kommutators angeschlossen. Dieser dient als Polwender und beherbergt Schleifkontakte, welche eine bürstenartige Form annehmen und aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt werden. Beliebte Materialien sind Graphit und – in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung des Motors – mit Metall angereicherte Stoffe. Im Betrieb sind Schleifkontakte für die Funktionalität des konventionellen DC Motors maßgeblich. Denn fließt Gleichstrom durch die Wicklung des Rotors beziehungsweise durch den Rotor, wird dieser zu einem Elektromagneten und erzeugt durch die Eigenschaften des Stators Magnetkräfte. Da sich gleichnamige Pole abstoßen und ungleiche Pole einander anziehen, resultiert eine Drehbewegung des Rotors – welche prinzipiell in einem neutralen Bereich enden würde. Um jedoch eine fortlaufende Rotation zu gewährleisten, muss eine periodische Umkehrung der Stromrichtung stattfinden. Unter Zuhilfenahme der Bürsten nimmt der Kommutator des Gleichstrommotors diese regelmäßige Umpolung vor.

Die konstruktionsbezogene Unterscheidung von bürstenbehafteten DC Motoren lässt sich des Weiteren nach Art der Schaltung von Anker und Statorwicklung vertiefen. Bei der Hauptschlussmaschine, auch als Reihenschlussmaschine bekannt, sind die Erregerwicklung sowie die Wicklung des Rotors in Reihe, sprich nacheinander geschaltet, was die Grundlage der Speisung von Wechselstrom schafft. Das Gegenstück stellt die Nebenschlussmaschine dar, bei welcher beide Wicklungen parallel geschaltet werden. Eine Kombination von Reihenschlussmaschine und Nebenschlussmaschine präsentiert der Verbundmotor. Er unterstützt je nach Auslegung ein unterschiedliches Betriebsverhalten und profitiert von den Vorteilen beider Konstruktionsarten.  

Kommutierung bei bürstenlosen DC Motoren

In Konkurrenz zum bürstenbehafteten DC Motor steht der bürstenlose DC Motor (englisch Brushless DC Motor, kurz BLDC). Gemäß ihrer Namensgebung unterscheidet sich diese Bauform in einem signifikanten Aspekt von der klassischen Konstruktion – mechanische Schleifkontakte wie Bürsten kommen nicht zum Einsatz. Den Platz der mechanischen Kommutierung nimmt stattdessen eine elektronische Leistungsschaltung ein, welche die Position des Rotors mithilfe von Sensorik verfolgt und so eine elektronische Kommutierung ermöglicht. Durch die Integration von beispielsweise Regelalgorithmen ist in vielen Anwendungsbereichen zudem eine sensorlose Kommutierung durchführbar. Der Aufbau eines bürstenlosen DC Motors lässt sich folglich mit dem Aufbau eines ungedämpften Synchronmotors gleichsetzen, wobei vielseitigere Steuermöglichkeiten gegeben sind und aufgrund der Umrichterelektronik eine Speisung mit Gleichspannung möglich ist. Oftmals werden bürstenlose DC Motoren oder vielmehr die Magnetspulen des integrierten Stators dreiphasig ausgeführt.

Bürstenlose und bürstenbehaftete DC Motoren im Vergleich

Die Wahl zwischen einem bürstenlosen und bürstenbehafteten DC Motor hat tiefgreifende Folgen und sollte dem Anforderungsprofil der betroffenen Applikation unterliegen, da sich die Leistungsmerkmale beider Konstruktionen teils gravierend unterscheiden. Auch Faktoren wie Anschaffungs- und Wartungskosten sind zu beachten.

Die Auswirkungen und Unterschiede von bürstenbehafteten und bürstenlosen Kommutierungssystemen sind insbesondere mit Blick auf die Lebensdauer des Gleichstrommotors zu berücksichtigen. Weil es sich bei Schleifkontakten beziehungsweise Bürsten um physische, mechanisch arbeitende Komponenten handelt, besteht ein kontinuierlicher Verschleiß; die Nutzungsdauer ist somit begrenzt. Hohe Drehzahlen, Vibrationen und ähnliche Faktoren stellen eine zusätzliche Belastung dar und können die Lebensdauer der Bürsten stark beeinflussen. Die Nutzungsdauer bürstenloser DC Motoren hingegen wird lediglich durch verbaute Kugellager limitiert und kann weitestgehend realitätsnah einkalkuliert werden. Durch das Fehlen mechanischer Reibung wird hier die Gefahr eines Bürstenfeuers, dem Entstehen von Funken am Kommutator, vermieden. Bürsten schränken zudem den Einsatz unter spezifischen Umgebungsbedingungen ein; für Hochvakuum-Anwendungen kommen so beispielsweise nur bürstenlose DC Motoren infrage.

Im direkten Vergleich mit Bürstenmotoren weisen bürstenlose DC Motoren diverse Leistungsvorteile auf. Diese können anwendungsabhängig variieren und sich vielfaltig ausprägen, jedoch umfassen sie in der Regel ein höheres Anlaufmoment, eine höchstpräzise – und Lastschwankungen gegenüber resistentere – Steuerung als auch höhere Drehzahlen.

Im Betrieb bietet die bürstenbehaftete Variante Vorteile – um den Rotor in Bewegung zu versetzen, müssen lediglich zwei Anschlüsse mit Spannung versorgt werden. Nur wenige Motortypen lassen sich ähnlich einfach betreiben. Konträr dazu benötigen bürstenlose DC Motoren ein elektronisches Kommutierungssystem und verlangen eine weitaus anspruchsvollere Inbetriebnahme. Besagte Elektronik und die oftmals verwendete Sensorik in bürstenlosen Gleichstrommotoren haben darüber hinaus tendenziell höhere Anschaffungskosten zur Folge, sodass die ökonomische Betrachtung ebenfalls eine Rolle spielt.

Anwendungsbereiche von bürstenlosen und bürstenbehafteten DC Motoren

Aufgrund der Vielfalt technischer Ausführungen sind DC Motoren Bestandteil unterschiedlichster Applikationen und kommen branchenübergreifend zum Einsatz. Insbesondere die verhältnismäßig einfache Steuerung von Drehzahl und Drehmoment, die präzise Regelbarkeit als auch die hohe Dynamik ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum.

Als konventioneller und routinierter Motortyp erfordern bürstenbehaftete DC Motoren wenige beziehungsweise keine externen Komponenten und sind daher ebenfalls unter rauen Umgebungsbedingungen einsatzfähig. Geeignete Applikationen stellen unter anderem Dreh- und Schleifmaschinen, Förderanlagen und Staubsauger dar. Des Weiteren können Kompressoren, Rotationsmaschinen und Aufzüge mit bürstenbehafteten DC Motoren angetrieben werden.

Müssen – wie etwa im Bereich der Robotik – eine äußerst präzise Steuerung sowie ein geringes Drehmoment gewährleistet sein, kommen DC Motoren mit integriertem Permanentmagnet zum Einsatz. Dank vieler Leistungsvorteile gegenüber bürstenbehafteten DC Motoren verfügen bürstenlose Ausführungen über eine stetig wachsende Bandbreite an Anwendungsfeldern. In zahlreichen Branchen und Teilgebieten unterschiedlichster Wirtschaftszweige haben bürstenlose DC Motoren ihr Pendant bereits verdrängt.

Der Einsatz von bürstenlosen Gleichstrommotoren in der Industrie konzentriert sich vornehmlich auf Applikationen der Fertigungstechnik und der industriellen Automatisierung. Vor allem Motion-Control-, Betätigungs- und Positioniersysteme profitieren durch die Eigenschaften des Motortyps. Ein prominenter Vertreter bürstenloser DC Motoren sind Schrittmotoren, welche vorrangig bei der Positionssteuerung offener Regelkreise genutzt werden. In vielen Industrieumgebungen unterstützen Schrittmotoren automatisierte Prozesse und finden hierbei unter anderem in Maschinen für Pick-and-Place-Verfahren Einzug.

Großer Beliebtheit erfreuen sich bürstenlose Gleichstrommotoren nicht zuletzt bei Modellflugzeugen sowie Drohnen. In diesem Rahmen stehen das Verhältnis von Leistung und Gewicht sowie die Auswahl an unterschiedlichen Baugrößen des Motortyps im Vordergrund – denn während frühere Verbrennungsmotoren aufgrund ihres Profils verhältnismäßig große und schwere Modellflugzeuge antrieben, ermöglichen kompakte, bürstenlose DC Motoren leichte Modelle.