miniatur|Mit einem Permanentmagneten erregter zweipoliger Gleichstrommotor Eine Gleichstrommaschine, auch Gleichstrommotor, Kommutatormotor oder Kommutatormaschine, selten auch Gleichfeldmaschine, ist eine rotierende elektrische Maschine, die mit Gleichstrom betrieben wird oder Gleichstrom erzeugt. Je nach Richtung des Leistungsflusses wird zwischen dem Gleichstrommotor (ein Elektromotor, dem elektrische Energie zugeführt und mechanische Energie entnommen wird) und dem Gleichstromgenerator (ein elektrischer Generator, dem mechanische Energie zugeführt und elektrische Energie entnommen wird) unterschieden. Gleichstrommaschinen können unter Belastung anlaufen, und ihre Drehzahl ist leicht zu verändern.
Merkmal der klassischen Gleichstrommaschinen ist ein als Kommutator oder Polwender bezeichneter mechanischer Wechselrichter. Heute gibt es auch bürstenlose oder EC-Motoren mit elektronischem Kommutator (EC). Mit dessen Hilfe wird im Motorbetrieb im Rotor ein drehzahlabhängiger Wechselstrom erzeugt. Im Generatorbetrieb wandelt er die vom Rotor gelieferte Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um.
Es gibt auch Anwendungsfälle, in denen dieselbe Gleichstrommaschine zeitweise als Motor und zeitweise als Generator benutzt wird.
Eine Sonderform ist die Unipolarmaschine, mit der Gleichstrom ohne Verwendung eines Kommutators erzeugt werden kann.
Geschichte miniatur|rechts|Historische Gleichstrommaschine von Zénobe Gramme (um 1880) Begünstigt durch die Entwicklung der ersten galvanischen Elemente in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts, waren die ersten elektromechanischen Energiewandler Gleichstrommaschinen. Die Urform eines Elektromotors wurde 1829 von Ányos Jedlik entworfen. Im Jahr 1832 baute der Franzose Hippolyte Pixii den ersten Gleichstromgenerator. Antonio Pacinotti baute um 1860 einen Gleichstrommotor mit vielteiligem Kommutator. Friedrich von Hefner-Alteneck entwickelte 1872 den Trommelanker, welcher mit den Arbeiten von Werner von Siemens zu dem dynamoelektrischen Prinzip die Möglichkeit der Selbsterregung und den industriellen Einsatz im Bereich des Großmaschinenbaus eröffnete.
In den folgenden Jahrzehnten verlor die Gleichstrommaschine, bedingt durch die Entwicklung des Dreiphasenwechselstroms, im Großmaschinenbau an Bedeutung. Insbesondere die Synchronmaschinen und für wartungsarme Antriebssysteme der Asynchronmotor lösten die Gleichstrommaschine in vielen Anwendungsbereichen ab. Die Gleichstrommaschine mit Fremderregung lässt sich gut regeln, denn die Ströme durch Anker- und Statorwicklung lassen sich getrennt steuern. Die Gleichstrommaschine hat daher insbesondere im Bereich hochdynamischer Antriebssysteme eine gewisse Bedeutung behalten, beispielsweise zum Antrieb von Werkzeugmaschinen mit präziser Drehzahl- und Drehmomentsteuerung. Im Kleinstleistungsbereich, beispielsweise bei Modellbahnen, ist vor allem der permanenterregte Gleichstrommotor des einfachen Aufbaues wegen üblich.
Aufbau miniatur|rechts|Schnittmodell eines industriellen Gleichstrommotors Die Maschine hat einen unbeweglichen Teil, den Stator. Er besteht aus einem Joch in Form eines Hohlzylinders. Daran befestigt sind die Hauptpole und bei größeren Maschinen auch Wendepole. Der Stator ist nicht geblecht, sondern besteht aus massivem Material, da hier kein magnetisches Wechselfeld wirkt und somit keine Wirbelströme auftreten. Der Hauptpolkern trägt entweder die Hauptpol- oder Erregerwicklung, oder Permanentmagnete erzeugen den nötigen Hauptpolfluss (permanenterregte Maschine). In den Polschuhen sitzt bei größeren Maschinen die Kompensationswicklung.
Der drehbar gelagerte Teil der Gleichstrommaschine heißt Rotor oder bei konventionellen Maschinen auch Anker. Der Rotor ist geblecht ausgeführt, da sonst durch die auftretenden Ummagnetisierungen große Wirbelstromverluste auftreten würden. Die meisten Gleichstrommaschinen sind als Innenläufer ausgeführt: Der Rotor ist der innere Teil, der Stator der äußere. Bei Außenläufern ist es umgekehrt.
miniatur|Trommelanker miniatur|Abwicklungsschema für einen Trommelanker mit Wellenwicklung und der Magnetisierung durch den Strom Eine oder mehrere Spulen auf dem Anker werden in einem magnetischen Feld des Stators so platziert, dass die Lorentzkraft und teils auch die Reluktanzkraft ein Drehmoment erzeugt. Die Wicklungen des Ankers werden hierzu über einen Kommutator (Polwender) angeschlossen. Die Schleifkontakte am Kommutator (Metallbürsten oder Kohle„bürsten“) wechseln während der Drehung die Polung der Ankerwicklungen so, dass immer diejenigen Wicklungen von Strom entsprechender Richtung durchflossen werden, die sich quer zum Erregerfeld bewegen. An den Bürsten ist eine pulsierende Gleichspannung abgreifbar. Durch mehrere räumlich versetzte Windungsschleifen (Wicklungen) erhält man eine Glättung des Spannungsverlaufs.
Die Bürsten bestehen aus einem Material, das eine verschleißarme gute Kontaktierung bietet (oft selbstschmierender Graphit, teilweise gemischt mit Kupferpulver (siehe Kohlebürste); bei kleinen Motoren, etwa für Kassettentonbandgeräte, auch Edelmetall-Bürsten).
Durch Umkehrung des Prinzips (der Anker wird von außen bewegt) erhält man einen Generator. Zur Stromerzeugung werden fast nur permanent- oder fremderregte Bauweisen benutzt. Der Kommutator wandelt den erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom.
Das allgemeine Motorverhalten wird durch die Feldstärke der Feldwicklung und die Eigenschaften der Ankerwicklung (Windungszahl, Anzahl der Pole) bestimmt.
Permanenterregte Gleichstrommaschine miniatur|links|Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer permanenterregten Gleichstrommaschine Das Stator-Magnetfeld wird bei kleineren Motoren (Spielzeug, Stellantriebe, Gebläse und Kühler-Ventilatoren in Kraftfahrzeugen, Elektroantrieb an Fahrrädern) über einen Permanentmagneten und nicht elektrisch über eine Spule erregt. Diese Magnete sind mit der Entwicklung der Gleichstrommotoren immer leistungsfähiger geworden und würden auch den Bau größerer Motoren gestatten. Die Kosten großer Permanentmagnete wären jedoch höher als die der Erregerwicklung.
Permanenterregte Motoren haben, wie auch fremderregte Maschinen, sehr hohe Einschaltströme. Ihr Betriebsverhalten ist im Abschnitt Physikalisches Modell erklärt. Permanenterregte Maschinen haben den Vorteil, dass zur Erzeugung des Magnetfeldes keine Energie benötigt wird. Das verbessert besonders bei kleiner Gesamtleistung den Wirkungsgrad. Nachteil ist, dass das Feld nicht geschwächt und somit die Drehzahl weniger variiert werden kann.
Elektrisch erregte Gleichstrommaschine Wird das Statorfeld durch einen Elektromagneten erzeugt, spricht man von elektrischer Erregung. Ist die Erregerwicklung vom Ankerstromkreis unabhängig, spricht man von Fremderregung. Sind die Rotor- und Statorwicklung miteinander verbunden, unterscheidet man:
Reihenschlussmaschine miniatur|Kennlinie einer Reihenschlussmaschine: Drehmoment über Drehzahl bei konstanter Klemmenspannung miniatur|links|Funktionsprinzip Reihenschlussmotor miniatur|Reihenschlussmotor (interne Verschaltung) Bei der Reihenschlussmaschine (auch Hauptschlussmaschine genannt) sind Anker- und Erregerwicklung in Reihe geschaltet. Die Erregerwicklung muss niederohmig sein. Bei einer Speisung mit Wechselspannung wechseln sowohl das Erregerfeld als auch der Ankerstrom die Richtung nach jeder Halbwelle, sodass das resultierende Drehmoment auch bei Umkehr der Stromrichtung weiterhin in die gleiche Richtung wirkt. Daher kann ein Reihenschlussmotor auch mit Wechselstrom betrieben werden. Der Eisenkern des Stators muss in diesem Fall ein Blechpaket sein, damit Wirbelströme vermieden werden.
Mit einphasigem Wechselstrom betriebene Motoren (Einphasen-Reihenschlussmotoren) sind in älteren Elektrolokomotiven (daher der Frequenzkompromiss 16,7 Hz im Bahnstromnetz) sowie in Straßenbahn-Triebwagen zu finden. Sie befinden sich auch unter dem Begriff Universalmotor oder Allstrommotor in vielen Haushaltsmaschinen (Staubsauger, Küchenmaschinen) und Elektro-Handgeräten (Bohrmaschinen). Die Anlasser großer Verbrennungsmotoren (beispielsweise in LKW) sind Reihenschlussmotoren.
Um einen Reihenschlussmotor als Generator (z. B. beim elektrischen Bremsen von Straßenbahnen) betreiben zu können, muss seine Erregerwicklung umgepolt werden, denn sonst hebt der generierte, durch die Feldwicklung fließende Strom das Erregerfeld auf.
Das Drehmoment einer Reihenschlussmaschine ist stark drehzahlabhängig (Reihenschlussverhalten). Bei geringer Drehzahl ist die Gegeninduktionsspannung der Ankerwicklung gering. Daher fließt ein großer Strom durch Anker und Erregerwicklung, und es kann ein großes Drehmoment aufgebracht werden. Mit der Drehzahl steigt die Gegeninduktionsspannung. Strom und Erregung sinken und damit auch das Drehmoment der Maschine.
Reihenschlussmotoren haben, insbesondere bei Wechselspannungsbetrieb („Universalmotor“, z. B. in Staubsaugern), dennoch einen wesentlich geringeren Einschaltstrom als Nebenschluss- oder permanenterregte Motoren. Sie liefern dennoch kurzzeitig ein sehr hohes Anlaufmoment, weswegen sie in Anlassern, Straßenbahnfahrzeugen und Elektrolokomotiven, wo sie im Kurzbetrieb extrem überlastbar sind, verwendet werden.
Bei Betrieb mit Wechselstrom ist das Drehmoment mit doppelter Netzfrequenz pulsierend, so dass bei großen Motoren ausgleichende Elemente zwischengeschaltet werden müssen. Das gilt auch für Einphasen-Synchronmaschinen.
Die Anschlüsse des Ankers werden mit A1 und A2 bezeichnet, die der Erregerwicklung mit D1 und D2. Bei der dargestellten Schaltung dreht der Motor im Uhrzeigersinn, erkennbar am eingezeichneten Pfeil im Anker.
Nebenschlussmaschine miniatur|Kennlinie einer Nebenschlussmaschine: Drehmoment über Drehzahl, bei konstanter Klemmenspannung miniatur|links|Nebenschlussmaschine miniatur|Nebenschlussmotor (interne Verschaltung) Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallelgeschaltet. Der Erregerstrom wird nur durch den ohmschen Widerstand der Erregerwicklung, die eine hohe Windungszahl und Induktivität hat, begrenzt. Ein Wechselspannungsbetrieb ist nicht möglich, da der Erreger- dem Ankerstrom weit nacheilen würde. Die Drehzahl großer Nebenschlussmaschinen ist nahezu unabhängig vom Drehmoment, weshalb sie sich besonders für Anwendungen eignet, bei denen das Lastmoment schwankt, die Drehzahl aber möglichst konstant sein soll, z. B. bei Förderbändern und Hebezeugen, bei denen auch Asynchronmotoren benutzt werden.
Nebenschlussmotoren können bei Unterbrechung des Erregerkreises durchgehen, da Drehzahl und Stromaufnahme beim Abklingen des Erregerfeldes drastisch ansteigen.
Nebenschlussmotoren können als Generator (z. B. zur Bremsung) arbeiten, wenn eine Hilfsspannungsquelle oder eine Restmagnetisierung dafür sorgen, dass beim Start des Bremsvorganges eine Erregung vorhanden ist. Mit steigender Erregung oder Drehzahl steigt auch die generierte Spannung – es ist die Spannung, die auch bei Motorbetrieb dem speisenden Strom entgegenwirkt und für eine konstante Drehzahl sorgt. Sie wird daher auch Gegenspannung genannt. Der Anstieg der Gegenspannung mit der Erregung, also bei Nebenschlussmotoren mit der Versorgungsspannung, bewirkt, dass ihre Drehzahl wenig von der Spannung abhängt, solange keine magnetische Sättigung eintritt. Mit sinkender Spannung sinkt auch die Drehzahlsteifigkeit. Bei einem fremderregten Gleichstrommotor mit unabhängig versorgtem, konstantem Erregerfeld ist dagegen die Leerlaufdrehzahl proportional zur Ankerspannung.
Die Anschlüsse des Ankers werden mit A1 und A2 bezeichnet, die der Erregerwicklung mit E1 und E2. In der dargestellten Beschaltung dreht der Motor rechtsherum (im Uhrzeigersinn), erkennbar am eingezeichneten Pfeil im Anker.