Gleichstrommotor: Aufbau in 3D

Gleichstrommotor in der Praxis: Strom, Verschleiß, Prüfen

Wo er heute noch sitzt

Im Betrieb begegnet er dir vor allem als Kleinantrieb mit 12 oder 24 V: in Stellantrieben von Klappen und Ventilen, in Pumpen und Lüftern von Geräten, in Scheibenwischern von Fahrzeugen und in älterem Akkuwerkzeug. Große Gleichstromantriebe mit Erregerwicklung, früher an Walzen, Kranen und Werkzeugmaschinen, wurden vielerorts durch Drehstrommotoren am Frequenzumrichter ersetzt. Wer alte Maschinen betreut, trifft sie trotzdem noch.

Warum der Anlaufstrom so hoch ist

Dreht sich der Anker, wirkt er zugleich als Generator und erzeugt eine Gegenspannung, die mit der Drehzahl steigt. Sie wirkt der angelegten Spannung entgegen, und nur der Rest treibt Strom durch den kleinen Widerstand der Ankerwicklung. Im Stillstand fehlt diese Gegenspannung. Dann begrenzt nur der Wicklungswiderstand den Strom, und der ist klein. Darum zieht der Motor beim Anlauf und erst recht, wenn er blockiert, ein Vielfaches seines Betriebsstroms. Ein blockierter Motor wird deshalb schnell heiß, und die Sicherung oder die Strombegrenzung des Netzteils muss das abfangen.

Strom verrät die Last

Beim Dauermagnetmotor hängt das Drehmoment am Strom. Zieht ein Antrieb mehr Strom als früher, muss er mehr Kraft aufbringen: Getriebe schwergängig, Lager trocken, Klappe klemmt. Den Strom misst du in Reihe mit dem Multimeter oder bei größeren Strömen mit einer Stromzange, die Gleichstrom kann. Eine Zange, die nur Wechselstrom misst, zeigt hier nichts an. Wie eine Stromzange mit Hall-Sensor Gleichstrom erfasst, zeigt Stromzange in 3D.

Bürsten und Kommutator prüfen

Bei Motoren mit zugänglichen Bürsten lohnt der Blick hinein: Die Bürste muss lang genug sein, frei in ihrem Köcher gleiten und von der Feder angedrückt werden. Der Kommutator soll gleichmäßig dunkel und glatt aussehen. Tiefe Riefen, ausgebrochene Kanten oder einzelne verbrannte Lamellen deuten auf Verschleiß oder einen Fehler in der Ankerwicklung hin. Den Kohlestaub nicht wegblasen, sondern absaugen: Er leitet und kann Kriechwege zwischen Teilen mit unterschiedlicher Spannung bilden. Viele kleine Motoren sind geschlossen gebaut, dort ist der Motor ein Tauschteil.

Mit dem Multimeter messen

Spannungsfrei und abgeklemmt misst du den Widerstand zwischen Plus und Minus. Er ist klein, deshalb vorher die Messleitungen kurzschließen und ihren Widerstand abziehen. Dann die Welle langsam von Hand drehen: Der Wert soll in jeder Stellung ungefähr gleich bleiben. Steigt er in bestimmten Stellungen deutlich an, ist eine Ankerspule oder ihre Lötstelle am Kommutator unterbrochen: Die Ankerwicklung ist in sich geschlossen, der Strom findet noch einen zweiten Weg. Springt er auf unendlich, hebt eine Bürste ab oder ein Anschluss ist offen. Ist er null, liegt ein Kurzschluss vor. Zusätzlich die Isolation zwischen den Anschlüssen und einem metallischen Gehäuse prüfen, sofern das Gehäuse berührbar ist.

Bremsen und Abschalten

Weil der Motor als Generator arbeitet, kann man ihn bremsen, indem man die Anschlüsse nach dem Abschalten über einen Widerstand verbindet. Der Strom, den er dabei selbst erzeugt, bremst ihn. Wird ein Gleichstrommotor über einen Transistor oder ein kleines Relais geschaltet, entsteht beim Abschalten eine Spannungsspitze aus der Induktivität der Wicklung. Eine Freilaufdiode parallel zum Motor schützt den Schalter davor.

Universalmotor und bürstenloser Motor

Der Universalmotor in Bohrmaschine, Winkelschleifer und Staubsauger hat ebenfalls Bürsten und Kommutator. Seine Erregerwicklung liegt in Reihe mit dem Anker. Bei Wechselstrom kehren Feld und Ankerstrom gemeinsam ihre Richtung um, das Drehmoment wirkt deshalb weiter in dieselbe Richtung. Der bürstenlose Gleichstrommotor in modernen Akkugeräten und Lüftern hat keinen Kommutator mehr: Eine Elektronik schaltet die Wicklungen im Ständer, die Magnete drehen sich mit dem Läufer. Er hat keine Bürsten, die verschleißen, braucht aber immer seine Ansteuerung.

Langsam trotz richtiger Spannung am Netzteil?

Beim Dauermagnetmotor folgt die Drehzahl der Spannung am Motor, nicht der am Netzteil. Bei 24 V und einer langen, dünnen Leitung geht ein spürbarer Teil der Spannung schon auf dem Weg verloren, und zwar umso mehr, je mehr Strom der Motor unter Last zieht. Darum unter Last direkt an den Motorklemmen messen. Ist die Spannung dort deutlich kleiner als am Netzteil, liegt es an Leitung oder Klemmen. Nachrechnen lässt sich das mit dem Rechner Spannungsfall.

Motoren mit Erregerwicklung

Beim Nebenschlussmotor liegt die Erregerwicklung parallel zum Anker, seine Drehzahl bleibt bei wechselnder Last fast gleich. Reißt der Erregerkreis, während der Anker weiter Spannung hat, kann die Drehzahl gefährlich ansteigen. Darum wird der Erregerkreis bei solchen Antrieben überwacht. Beim Reihenschlussmotor fließt der Ankerstrom auch durch die Erregerwicklung. Er hat ein hohes Anzugsmoment, seine Drehzahl hängt aber stark von der Last ab. Ohne Last kann er hochdrehen, deshalb läuft er nie ohne angekuppelte Last.

Einen Tauschmotor aussuchen

Für einen Tauschmotor zählen Bemessungsspannung, Drehzahl, Drehmoment oder Leistung, Stromaufnahme, Wellenmaße und Befestigung. Bei Getriebemotoren kommen Untersetzung und Abtriebsdrehzahl dazu. Ein Motor mit gleicher Spannung, aber höherer Leerlaufdrehzahl macht den Antrieb schneller, als die Mechanik vielleicht verträgt. Vor dem Einbau die Drehrichtung mit kurzem Antippen prüfen, solange die Last noch nicht angekuppelt ist.

Motor oder Ansteuerung defekt?

Läuft ein Antrieb nicht, wird zuerst geklärt, ob der Motor oder seine Ansteuerung schuld ist. Dazu den Motor abklemmen und kurz direkt an eine passende Gleichspannung legen, etwa ein Labornetzteil mit Strombegrenzung, ohne angekuppelte Last. Läuft er dann, liegt es an Steuerung, Relais, Leitung oder Endschalter. Läuft er nicht, obwohl die Spannung an den Klemmen ansteht, liegt es am Motor. Die Strombegrenzung schützt dabei Netzteil und Motor, falls er blockiert.

Drehrichtung elektronisch umschalten

Bei Stellantrieben wird die Drehrichtung oft elektronisch gewechselt, mit vier Schaltern um den Motor herum, einer sogenannten H-Brücke. Je zwei diagonal gegenüberliegende Schalter sind gleichzeitig eingeschaltet, dann fließt der Strom in die eine oder die andere Richtung durch den Motor. Schalteten die beiden Schalter eines Brückenzweigs, also oben und unten auf derselben Seite, gleichzeitig ein, gäbe es einen Kurzschluss. Das verhindert die Ansteuerung.