Kleine Motorenkunde
am Beispiel eines Carrera D18 Motors für 124er Slotcars
Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in eine Bewegung um. Dieses kann eine Drehbewegung oder auch eine lineare Bewegung sein. Man könnte deshalb einen Elektromotor auch als einen elektromechanischen Wandler bezeichnen!
Aufbau und Funktion
Bei einem Gleichstrommotor kommt immer ein Stator zum Einsatz, in unserem Fall in Form von zwei Permanentmagneten, die an der Gehäusewandung befestigt sind. Diese beiden Magneten haben zudem eine gegensätzliche Polung (Nord / Süd). Damit auch eine Drehbewegung entstehen kann, befindet sich in der Mitte zu den beiden Magneten eine Welle mit einem darauf gelagerten Eisenkern, welcher wiederum von einem isolierten Kupferdraht umwickelt ist. Als komplette Einheit wird dieses auch als Rotor bezeichnet.
Der von Carrera verwendete Motor hat einen fünfpoligen Anker. Für eine Drehbewegung würde auch ein zweipoliger reichen, allerdings sorgt meist der Restmagnetismus dafür, dass der Anker ohne Strom in einer „ungünstigen“ Lage stehen bleibt. In dieser Lage würden die Kontaktunterbrechungen am Schleifring mit ihrer Anordnung so liegen, dass kein Stromkontakt zustande käme.
Bei einem Trommelanker mit drei oder mehr Polen ist dies nie der Fall, und der Motor kann dadurch bei erneuter Bestromung immer zuverlässig anlaufen.
Der Kommutator, auch Schleifring genannt, ist ein weiteres wichtiges Teil bei dieser Art Motoren. Er bildet zusammen mit den federgelagerten Kohlen, meist aus Graphit, die eigentliche Verbindung zum Stromanschluss. Da der Rotor die drehende Einheit ist, kann diese nicht direkt angeschlossen werden. Die Kohlen werden dabei durch Federn gegen den Schleifring gedrückt und können so den Stromfluss gewährleisten damit die entsprechenden Eisenkerne zusammen mit der Wicklung auch ein Magnetfeld mit der notwendigen Polung zum Antrieb der Welle bilden können.
Der einfache Aufbau hat auch seine Nachteile. Die Lebensspanne solcher Motoren ist durch den zwangsläufigen Verschleiß meistens kürzer als bei Motoren ohne Bürsten, den sogenannten brushless Motoren! Zum einen verschleißen die Kohlen und lagern dadurch im Gehäuse Schleifstaub ab, zum anderen bildet der Staub mitunter auch Brücken zwischen den Freiräumen des Schleifrings. Teilweise werden dem Graphit auch metallische Komponenten hinzugefügt.
Auf dem rechten Bild ist die eingelaufene Fläche am Kommutator gut zu erkennen. Die Unterbrechungen im Schleifring sind teilweise schon mit abgeschliffenen Graphit gefüllt, was zu einer Brückenbildung führen kann. Wenn eine Brücke zwischen zwei oder mehreren Kontaktelementen besteht, kann die Polungsumkehr nicht mehr korrekt stattfinden, und der dadurch immer noch verbundene Eisenkern stellt weiterhin ein Magnetfeld zur Verfügung, welches aber für einen einwandfreien Lauf nicht erwünscht ist. Bei diesem zerlegten Motor war dies der Fall, er lief unrund mit verschiedenen Drehzahlen bei identischer Spannung bzw. Strom.
Auch befindet sich auf dem abgebildeten Schleifring ein feiner Ölfilm, was das absetzen des Graphitstaubs in den Vertiefungen ebenfalls gegünstigt. Graphit hat auch eine selbstschmierende Wirkung, was zusätzliches schmieren durch Öle und Fette unntöig macht.
zusätzliche Ergänzung
Die oben erwähnten Brushless-Elektromotoren sind im übrigen keine Gleichstrom- sondern im Prinzip eher Drehstrommotoren! D.h. sie benötigen einen Motorcontroller, der aus dem zur Verfügung gestellten Gleichstrom einen „künstlichen“ Drehstrom mit drei Phasen erstellt.
Dadurch das sie ohne Bürsten auskommen, kann auch kein Bürstenfeuer entstehen wodurch Störsignale ausgeschlossen sind. Dabei unterscheidet man bei den bürstenlosen Motoren zwischen Innenläufern und Aussenläufern. Erstere bieten mehr Drehzahl bei weniger Drehmoment, bei den Aussenläufern ist es genau umgedreht.
Epilog
Ich hoffe, dass ich als Mechaniker alles richtig erklärt habe und mir kein Fehler unterlaufen ist. Eigentlich habe ich den Motor auch nur zerlegt, um zu erfahren wie viele Eisenkerne dieser besitzt. Geplant ist eine Erweiterung des Prüfstands in der nächsten Version, um auch die Drehzahl von nicht in Fahrzeugen eingebaute Motoren zu testen – ein wenig Zukunftsmusik zum Abschluss.
