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wie Gleichstrommotoren funktionieren

Alle meine Überlegungen gehen davon aus, dass Sie Ihr Gartenbahn-Fahrzeug mit Gleichstrom aus Batterien betreiben wollen. Alternativ kann der Gleichstrom natürlich auch aus einer Fahrleitung oder von einer Generatorgruppe kommen. Die Spannung ist meist 24 Volt, aber auch 12 oder 36 Volt sind denkbar. Die Motorleistung liegt bei 250...500 Watt, selten darüber.

der Gleichstrommotor mit Permanentmagnet

© Wikipedia GDL
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Er besteht aus vier Teilen:

  • dem Stator, also dem festehenden Teil, er ist im Bild als Hufeisenmagnet gezeichnet und erzeugt ein magnetisches Feld
  • dem Rotor oder Anker, also dem beweglichen, sich drehenden Teil; er besteht aus einem Eisenkern mit Wicklungen
  • dem Kollektor, dessen Lamellen mit den Wicklungen fest verbunden sind
  • den Bürsten, die dem Kolektor den Strom zuführen

Das Magnetfeld im Stator wird bei unseren Gartenbahn-Motoren von einem Permanentmagneten erzeugt. Es gibt aber auch andere Konstruktionen, wie das Bild unten zeigt. Der Rotor muss mindestens drei Pole haben, wenn der Motor von selbst anlaufen soll.

Das zweite Bild zeigt:
Zwischen Rotor und Stator wirken magnetische Kräfte, welche den Rotor in Drehung versetzen. Nach jeder halben Drehung schalten Bürsten und Kollektor die Spulen um, die Magnetisierung der Rotors kehrt sich um, die Drehung geht weiter.

die praktische Ausführung

Gleichstrom-Motoren haben üblicherweise mehrere Ankerwicklungen auf einem Eisenkern und einen zylindrischen Kollektor. Das Bild links zeigt drei kleinere Permanantmagnet-Motoren verschiedener Grösse.

In der Mitte ist ein kleiner Motor mit Permanentmagnet zerlegt. Die beiden Lötfahnen links oben am Gehäuse sind die elektrischen Anschlüsse. Der Rotor ist dreipolig, der Kollektor hat die Form einer Walze. Man sieht deutlich die Wicklungsdrähte, die mit dem Kollektor verlötet sind.

Im rechten Bild sehen Sie den zerlegten Anlassermotor eines Personenwagens. Dieser Motor hat statt eines Magneten eine Feldspule. 1: Gehäuse 2: Kupplungsmechanismus 3: Rotor mit Wicklung und Kollektor 4: Feldspule 5: Bürsten 6: Magnet für die Kupplung

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die Grundregeln für Bürstenmotoren mit Permanentmagnet

  1. die Umdrehungszahl ist proportional zur Versorgungsspannung
    wenn Sie den Motor schneller oder langsamer laufen lassen wollen, brauchen Sie also nur die Spannung zu ändern;
  2. das Drehmoment - oder die Leistung - ist propotional zum aufgenommenen Strom und dieser ist abhängig vom Ankerwiderstand
    oder umgekehrt: je mehr Leistung Sie vom Motor verlangen, desto mehr Strom nimmt er auf, bis er schliesslich stillsteht
    wenn Sie zuviel vom Motor verlangen, wird er sich überhitzen und verbrennen;
  3. wird ein solcher Motor durch eine äussere Kraft angetrieben, wirkt er als Generator und produziert Strom
    es ist also möglich, mit dem Motor bei Talfahrt zu bremsen und die Batterie nachzuladen;
  4. der Wirkungsgrad ist abhängig von der Konstruktion und von der Drehzahl des Motors
    er liegt bei ungefähr 80...90% - der Motor setzt also einen Teil der zugeführten Energie in Wärme um...

einen Motor wählen

Das Angebot an Gleichstrom-Motoren ist unübersehbar - wie sollen Sie sich da zurechtfinden?! Am einfachsten kommen Sie mit einem Motoren-Rechner zum Ziel: Er macht Ihnen konkrete Vorschläge von Motoren, die Ihre Vorgaben erfüllen. Sie brauchen nur Ihre Wünsche einzugeben.

Diese Angaben sind entscheidend:

  • die Spannung, mit der Sie den Motor betreiben wollen, zB 12, 24 oder 36 Volt. Das ist meist auch die Batteriespannung.
  • die Leistung, die Sie vom Motor erwarten: Im einfachsten Fall sind das:
    • Gewicht des ganzen Zuges mit Last
    • Geschwindigkeit des Zuges bei voller Spannung am Motor
    • Steigung in Prozent

Im Netz finden Sie mehrere Seiten mit Hilfen zur Motorauswahl, viele sind allerdings in Englisch.

4QD
Der Name dieser Seite bedeutet '4QuaDrant': eine Vier-Quadrant-Steuerung erlaubt Vorwärts- und Rückwärtsfahren, sowie Bremsen in beiden Richtungen, vgl PWM-Steuerung?. Die Seite ist eine fast unerschöpfliche Quelle von Informationen für alle Aspekte des Elektro-Antriebs. Wenn Sie einen Motor kaufen wollen, sind die folgenden beiden Rechner unverzichtbar:
4QD Motor Current Calculator
Sie geben die Last, die gewünschte Geschwindigkeit und die Batteriespannung ein und der Rechner liefert die nötige Motorleistung zurück. Der Rechner analysiert auch das Bergauffahren. Java Script aktivieren!
Bickels Motoren Strom Rechner
meine Nachprogrammierung des 4QD-Rechners 4QD Road Speed Calculator
Mit diesem Rechner bestimmen Sie die Geschwindigkeit Ihres Fahrzeugs bei gegebener Motordrehzahl, Untersetzung und Triebraddurchmesser. Java Script aktivieren! specAmotor
Firmenunabhängige Motorauswahl! Nach Eingabe von Drehmoment und Geschwindigkeit sucht das Programm geeignete Motoren in der Datenbank. Motocalc
Motorberechnungs-Programm für Windows, kostenpflichtig. Dieses Programm ist für den Flugmodellbau geschrieben, kann aber auch sonst nützlich sein. Die Seite enthält eine Datenbank über Motoren, Batterien, Steuerungen und so weiter.

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