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Theoretische Grundlagen des Gleichstrom-Elektromotors
Anmerkung zu diesem Kapitel

Sollten sich im Leserkreis dieser Homepage Physiker "der klassischen Sorte", Ingenieure des technischen Elektromaschinenbaus oder artverwandte befinden, so dürfte für Sie nichts Neues in diesem Kapitel stehen :-)

Einleitung
Bevor man zum Funktionsprinzip eines Gleichstrommotors gelangt, macht es Sinn, ein paar Worte über die physikalischen Grundlagen des (Elektro-)Magnetismus zu betrachten. Ohne Magnetismus, kein Elektromotor, keine Transformatoren, keine Generatoren; sprich, mit grosser Wahrscheinlichkeit wäre nichts so wie es heute ist. Im 19. Jahrhundert wurden zuerst Batterien als Energielieferanten verwendet und die ersten Gleichstrommaschinen gelangten zum Einsatz. Erst im 20.Jahrhundert verdraengten Wechselstrommaschinen (Motoren sowie Generatoren) die Gleichstrommaschinen. Eines blieb jedoch gleich - die Verwendung der physikalischen Effekte von Magnetfeldern. Interessanterweise hat bis heute noch niemand ein Magnetfeld gesehen, wir koennen bloss deren Wirkung sichtbar machen. Die Physik hat schon sehr frueh mathematische Modelle hervorgebracht, mit welchen sich die Auswirkungen recht gut berechnen lassen.

1. Grundlagen zu Magnetismus & Elektrizität
Magnetfelder haben die Eigenschaft, Kräfte auf bewegte Ladungsträger in einem Leiter (also auch in Gasen) auszuüben. Ladungsträger bewegen sich jedoch nur, wenn man Sie dazu "antreibt", also Energie zuführt.

Fliesst Strom durch einen Leiter, so bewegen sich dessen Ladungsträger. Befindet sich dieser Leiter in einem (möglichst homogenen) Magnetfeld, so wirkt die sogenannte Lorenzkraft auf jeden der einzelnen Ladungsträger. Stellen wir uns die Ladungsträger als kleine Kugeln vor, die sich, aufgereiht wie auf einer Perlenkette, innerhalb des Leiters bewegen und auf jede Kugel besagte (Lorenz-)Kraft wirkt, addieren sich diese "Einzelkräfte" zu einer "Gesamtkraft", welche auf diesen Leiterabschnitt wirkt. Umgekehrt erzeugt ein stromdurchflossener Leiter (also die Bewegung der Ladungstraeger), das sich um diesen Leiter ein kreisförmiges Magnetfeld aufbaut. (Wir merken uns diese Aussage fuer spaeter!)

Die Lorenzkraft wirkt orthogonal zur (sog. technischen) Stromrichtung und der Richtung des Magnetfeldes (sog. Wirkrichtung der Feldstärke). Eine einfache Methode zur Bestimmung der Richtung der Lorenzkraft ist die sogenannte "Rechte-Hand-Regel" wie in der folgenden Grafik dargestellt.



Bild1: (Quelle: Universität Ulm)
Die Idee der 'Rechten-Hand-Regel' ist, eine der Richtungen dieser Grössen zu bestimmen. Also typischerweise ist die Richtung des Stromflusses (Ladungsträger die sich mit der Geschwindigkeit [v] bewegen), sowie die Richtung des Magnetfeldes [H] bekannt. Der Zeigefinger zeigt dann in der in Bild 1 dargestellten Handstellung in die Richtung der (Lorenz-)Kraft [F]. Dies ist eine gute "Eselsbrücke", welche uns spaeter wieder an die drei Einflussgrössen erinnern lässt. In Worten ausgedrückt:
Auf Ladungsträger, die sich mit der Geschwindigkeit [v] in einem Magnetfeld [H] bewegen, wirkt eine Kraft [F].


Bild 2: (Quelle: Author)
Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein kreisförmiges Magnetfeld um sich selbst. Bringen wir diesen stromdurchflossenen Leiter in ein weiteres Magnetfeld ein (Bsp. zwischen ein Hufeisenmagnet), so kommt es zu einer Überlagerung der beiden Magnetfelder wie im Bild 2 zu sehen ist. Weisen beide Felder in dieselbe Richtung (rechte Bildhälfte), kommt es zu einer Addierung der beiden Kräfte. Weisen beide Felder in entgegengestzte Richtungen, so subtrahieren Sie sich entsprechend (Linke Bildhälfte).
Dies hat zur Folge, dass sich der stromdurchflossene Leiter in die Richtung bewegen wird, in welche die grösseren Kräfte wirken, in unserem Beispiel also nach links - im Volksmund spricht man von 'abstossen'.

Wir stellen fest, dass diese Ablenkungskraft - die Lorenzkraft - verantwortlich dafür ist, dass sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld bewegt und Grundlage für die Funktion eines Gleichstrommotores ist. (Gilt im übrigen auch für Wechselstrommotoren.)
Der nachfolgende Abschnitt behandelt den Aufbau von Gleichstrommotoren.

2. Aufbau eines Gleichstrommotors
Der Gleichstrommotor ist eine sogenannte Aussenpolmaschine, d.h. im Magnetfeld der Permanentmagneten ist eine sich drehende Leiterschleife gelagert. Vereinfacht man diesen Aufbau auf das Wesentliche, so besteht der Gleichstrommotor aus zwei grundlegenden Bauteilen: Erstens aus einem Hauptmagneten (Permanentmagneten), der am Ständer (Stator) befestigt ist. (Anstelle von Permanentmagneten kann ein Magnetfeld auch elektrisch erzeugt werden. Dabei sind dann am Stator sogenannte Erregerwicklungen (Spulen) angebracht.) Zweitens aus der Leiterschleife, dem sogenannten Anker (auch Rotor genannt), an dessen Ankerkern (meist aus geschichteten Blechen bestehend) die Ankerwicklungen aufgebracht sind. Im Modellbausektor treffen wir praktisch ausschliesslich auf Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten. Ob mit Permanentmagneten, oder mit Erregerspulen ausgestattet; beide Konstruktionen bezeichnet man als fremderregte Gleichstrommotoren.

Der Gleichstrommotor der untenstehenden Animation ist ein sogenannter zweipoliger Gleichstrommotor mit der Polpaarzahl p = 1. (Nord- und Südpol sind die sog. 'Feldkomponenten' eines Magneten = 1 Pol-Paar).
Der abgebildete Anker ist ein sogenannter Doppel-T-Anker. Dies ist die einfachste Bauform, welche für einen Anker einer Gleichstrommaschine möglich ist. Den Namen hat er von seiner Form erhalten, die an zwei zusammengesetzte "T`s " erinnert.

Bild 3: (Quelle: Gymnasium Donauwörth)
Die Anfänge und Enden der Ankerspulen sind an die Lamellen des Kommutators (auch Stromwender, oder Kollektor genannt) angeschlossen (in Animation gelb dargestellt). Der Kommutator muss also pro Wicklung, die sich am Anker befindet, je zwei Lamellen (Kupfersegmente) aufweisen. Die Lamellen sind durch Zwischenlagen (Bsp. 'Mikanit') voneinander isoliert und bilden in ihrer Gesamtheit den zylinderförmigen Kommutatorbelag. Die Stromzufuhr in der Ankerwicklung erfolgt typischerweise über Kohlebürsten (in der Animation durch kleine Rechtecke dargestellt), die mit dem rotierenden Stromwender einen Gleitkontakt geben und so die Spulen mit Strom versorgen. Kohle ist ein relativ guter elektrischer Leiter, welcher zudem schmierende Eigenschaften aufweist, indem kleine Kohlepartikel von der Kohlebürste abgeschliffen werden und sich auf der Kollektoroberfläche als Gleitmittel ansammeln.
Kommutator und Bürsten kann man auch als einen mechanischen (Um-)Schalter verstehen, der beim Durchgang des Kollektors durch den Totpunkt (sog. 'Nulldurchgang') die Stromrichtung umkehrt.

Der Ständer (in der Animation nicht gezeigt!) stellt den gesamten äusseren Teil des Motors dar. Der Ständer ist gleichzeitig auch der sogenannte 'Jochring', der den magnetischen Rückschluss der Hauptpole garantiert. Die "austretenden" magnetischen Feldlinien "treten" dort wieder "ein" - Magnetische Feldlinien bilden immer einen geschlossenen Kreislauf. Die Feldlinien, welche in typischen Darstellungen stets vom Nordpol zum Südpol zeigen, haben in Wirklichkeit keinen Anfang und kein Ende, man kann sich vielmehr vorstellen, dass sie nach Erreichen des Nordpols wieder zum Südpol zurückkehren; allerdings beschreiben sie dabei nicht denselben Weg. Den "Rückweg" nehmen sie nämlich über den Ständer des Motors, um zum "Ausgangspunkt" (= Nordpol) zu gelangen.

Beim nebenstehenden Photo eines aufgeschnittenen Industrie-Gleichstrommotors lassen sich die einzelnen Ankerteile (Dunkelgrau) mit den jeweiligen Wicklungen dazwischen erkennen. Die Stromzufürung zu den Wicklungen geschieht ueber Schleifkontakte (verdeckt in weissen Kunststoff-halterungen, rechts)


Bild 4: (Quelle: http://www.elektromotoren.de)

3. Funktionsweise eines Gleichstrommotors
In Abschnitt 1 haben wir die physikalischen Grundlagen verstehen gelernt und in Abschnitt 2 den generellen Aufbau von Gleichstrommotoren behandelt.

Zur Wiederholung: Ein Gleichstrommotor setzt sich im Prinzip aus einem feststehenden Stator, an dem die Permanentmagnete angebracht sind und einem rotierenden Anker, zusammen. In der untenstehenden Grafik sind die Pole des Feldmagneten durch N = Nordpol und S = Südpol gekennzeichnet. Der Anker, der sich im Luftspalt des Feldmagneten dreht, wird in der Abbildung mittels eines Balkens und zweier Kreise dargestellt, die in a) die beiden Spulenhälften der Ankerwicklung und in b), c) und d) die jeweilige Stromrichtung symbolisieren sollen.
Das bereits in Abschnitt 1) erwähnte, 'elektrodynamische Gesetz' besagt, dass auf eine stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld die sich Kraft [F] abhängig vom Strom [I] und der magnetischen Feldstärke [B] ist. Ausserdem konnten wir in Bild 2 erkennen, dass ein stromdurchflossener Leiter von einem kreisförmigen Magnetfeld umgeben ist. Kombinieren wir nun das Magnetfeld des Feldmagneten mit dem Magnetfeld der Leiterschleife, so können wir eine Überlagerung der beiden Felder sowie eine daraus resultierende Kraftwirkung feststellen.

a) b) c) d) e)
Bild 5: (Quelle: Gymnasium Donauwörth)
In Bild 5a) erkennt amn, dass der Anker parallel zu den Feldlinien ausgerichtet ist. Die Ankerwicklung setzt sich aus zwei Spulenhälften zusammen, die als Kreise am jeweiligen oberen und unteren Ende des Ankers dargestellt sind. Legen wir nun eine Gleichspannung an die beiden Enden der Ankerwicklung (Bild 5b), können wir uns vorstellen, dass die bewegten Ladungsträger (lies: "Stromfluss") in die untere Spulenhälfte hineinfliessen (Kreis mit Punkt) und aus der oberen Spulenhälfte wieder herausfliessen (Kreis mit Kreuz).

Wir erinnern uns daran, dass jede stromdurchflossene Spule ein eigenes Magnetfeld entwickelt und es dabei zu einer Überlagerung des Magnetfeldes des Permanatmagneten (sog. 'Erregerfeld') mit dem Magnetfeld der unteren Spulenhälfte und dem Feld der oberen Spulenhälfte kommt. Die Feldlinien des Permanentmagnetfeldes sind immer gleich gerichtet, sie zeigen stets vom Nord- zum Südpol. Die Felder der beiden Spulenhälften hingegen, in Bild 5b) durch Kreise mit je einem Pfeil dargestellt, haben entgegengesetzte Richtungen. Betrachten wir in Bild 5c) die untere Spulenhälfte, so sehen wir, dass auf der linken Seite des Feldes der Spulenhälfte die Feldlinien von Erregerfeld und Spulenfeld die gleiche Richtung aufweisen. Es ist dargestellt, wie es auf dieser Seite zu einer Verdichtung (=Überlagerung) der Feldlinien kommt (Wir erinnern uns an Abschnitt 1), sodass es zu einer Kraftwirkung in Richtung des verminderten Feldbereichs (in Bild 5c), d), e) durch weisse Pfeile dargestellt)kommt. Bild 5d) zeigt denselben Effekt bei umgekehrter Stromrichtung (= Umkehrung der Drehrichtung)

Aufgrund dieser Kraftwirkung in die jeweils entgegengesetzte Richtung am unteren und am oberen Ende des Ankers entsteht ein Drehmoment, welches wiederum eine Rotationsbewegung des Ankers verursacht.

Bild 5e) stellt die Kraftwirkung auf einen sog. Trommelanker dar. (Trommelanker werden oft bei handelsüblichen Gleichstrommotoren eingesetzt.) Wir erkennen, dass dieser Anker nicht nur eine Leiterschleife bzw. Ankerwicklung aufweist, sondern gleich mehrere. Demzufolge vergrössert sich auch die Kraftwirkung auf den Anker sowie das von ihm abgegebene Drehmoment.

Zusammenfassend stellt man fest:

Bei Gleichstrommotoren wird das Drehmoment also durch das Zusammenwirken von Ständermagnetfeld und Ankermagnetfeld gebildet. Die Stärke des durch die Ankerwicklung fliessenden Stromes [I] ergibt die Stärke der um jede Ankerwicklung erzeugten Magnetfelder [H] der Ankerspule. Die Gesamtheit dieser Magnetfelder erzeugt das besagte Anker(magnet)feld. Dieses bewirkt eine Kraft [F] auf die Ankerleiter und ein Drehmoment [M] stellt sich ein.

4. Ankerkonstruktionen
Elektromomtoren mit einem, wie im Bild 3 geizeigten, Doppel-T-Anker haben einen gravierenden Nachteil: Sie sind nicht sebstanlaufend und zwar genau dann, wenn sich die Kommutatorbürsten im sog. Totpunkt befinden (= kein Stromfluss möglich). Gleichstrommotoren mit 'Dreifach-T-Anker' (siehe Bild 6) können aus jeder beliebigen Position anlaufen, da die Magnetpole des Ankers so entstehen, dass sich die Kräfte auf die Ankermagnetfelder nicht selbst aufheben können und der Anker immer derart zum Stillstand kommt, dass ein Kontakt der Kommutatorbürsten mit dem Kollektor stattfindet. Wie schon der Name vermuten lässt, besteht der Dreifach-T-Anker aus drei T-förmigen Teilen, um die jeweils eine Spule gewickelt ist. Der Kollektor ist mit drei Segmenten (Lamellen) belegt, dargestellt als orange, blaue und gelbe Kreisbögen. An jede Lamelle sind dabei je ein Spulenanfang bzw. ein Spulenende zweier benachbarter Wicklungen angebracht.


Bild 6: (Quelle: Gymnasium Donauwörth)

Grundsätzlich ist zur Auslegung der Ankerkonstruktion (Polpaarzahl) folgendes zu bemerken: Die Kraftwirkung auf den Anker ist Abhängig von der Stellung der jeweiligen Ankerspulen, da die Richtung des Ankerfeldes sich ja mit der Drehbewegung zum fixen Hauptfeld ändert; also die Kräfte ständig zu- und wieder abnehmen bei jeder "Dritteldrehung" (beim dreiteiligen Anker). Haben Sie einen Billigmotor der "Marke Fernost" in Ihrem Modell, macht sich dies vor allem bei geringen Motordrehzahlen bemerkbar als mehr oder weniger starkes Ruckeln. Verwenden Sie jedoch einen höherwertigen Motor mit einer "feineren Unterteilung", also mit höherer Polpaarzahl, so werden Sie auch bei niedrigen Drehzahlen Freude an konstanter, ruckelfreier Drehmomentabgabe haben.

5. Bürstenfeuer und deren Ursache
Da sich während der Kommutierungszeit der magnetische Fluss innerhalb der Ankerwicklung ändert, wird in den Wicklungen eine sogenannte Stromwendespannung induziert. Diese Stromwendespannung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: Der Ankerfeldspannung und der Reaktanzspannung. Die Ankerfeldspannung entsteht durch das Umpolen des Ankerfeldes, die Reaktanzspannung durch das Umpolen des sog. Streuflusses der kommutierenden Spule. (Als Streufluss werden jene Feldlinien bezeichnet, die nicht den rotierenden Anker durchsetzen.)
Die Stromwendespannung verzögert den Stromwendevorgang, welcher jedoch nicht verzögert werden darf, solange die kommutierende Spule über die Bürste kurzgeschlossen ist. Ist dies der Fall, so kann zwischen der Bürste und dem ablaufenden Kommutatorsegment ein sogenannter Lichtbogen entstehen (also z.B. wie beim Elektro-Schweissen). Dieser Lichtbogen wird als Bürstenfeuer bezeichnet. Er beschädigt auf Dauer die Bürsten und die Kollektoroberflächen und führt auch zu Funkstörungen in unserem Empfänger (und anderen Elektrogeräten).

Um diese schädigende Wirkung der Stromwendespannung zu unterbinden, werden, üblicherweise bei Industriemotoren höherer Leistung, auf der Höhe des Nulldurchgangs sogenannten Wendepole (kleine Wicklungen, am Stator fixiert) angebracht. Derartige Elektromotoren sind praktisch immer mit Erregerwicklungen ausgestattet (also ohne Dauermagnete). Besagte Wicklungen der Wendepole werden vom Ankerstrom (sprich: "Motorstrom") durchflossen und erzeugen dadurch ein sog. Wendefeld, welches das Ankerfeld in der Wendezone aufhebt und in den kommutierenden Leitern (also in die Wicklungen, welche für einen sehr kurzen Moment ohne Stromfluss sind) eine Gegenspannung induziert. Diese Spannung ist etwa gleich gross wie die Reaktanzspannung, dieser aber entgegengesetzt, so dass es zu einer Art "Auslöschung" der beiden entgegengerichteten Spannungen kommt.

6. Statische und dynamische Grössen
Elektromotoren werden auch als elektrisch-mechanische Energiewandler bezeichnet, da es einen Zusammenhang zwischen den elektrischen Grössen und mechanischen Grössen gibt. Ohne näher darauf einzugehen, setzt sich die sogenannte Leistungsbilanz aus zwei Teilen zusammen: Ein Leistungsanteil wird nur in (sog. 'Joulsche') Wärme umgesetzt, ein weiterer ist für die Erbringung der mechanischen Leistung verantwortlich. Diese mechanische Leistung setzt sich ihrerseits wieder aus zwei Komponenten zusammen: Zum einen aus der Leistung, die benötigt wird um die Lager- und Lüfterreibung des Motors zu überwinden, zum anderen aus der eigentlichen Arbeitsleistung für den Betrieb der an den Motor gekoppelten Arbeitsmaschine. Es ergibt sich für die Leistungsbilanz:

P_Verlust_tot = P_Wärme+ P_Reibung + P_Antrieb

Bei Industriemotoren höherer Leistung ist die Arbeitsleistung typischerweise viel grösser als die Leistung, die durch Reibung und Wärme verlorengeht, bei manchen Modellmotoren jedoch nicht, da diese eine sehr hohe Leistung innerhalb einer kurzen Zeitspanne abgeben müssen (Bsp. Flachbahnrenner) und über die Hälfte der zugeführten elektrischen Energie in Form von Wärme umgesetzt ("verheizt") werden kann. Bei solchen Modellen ist das Motorgewicht ebenfalls mitentscheidend, da die zu beschleunigende Masse (Totalgewicht des Rennfahrzeuges) die Beschleunigung beeinflusst (Sie kennen das sicherlich vom Fahrradfahren). Für ein Nutzfahrzeugmodell steht jedoch nicht geringes Gewicht und maximale Antriebsleistung innerhalb kurzem Zeitraum, sondern möglichst geringe Verluste und lange Fahrzeiten im Vordergrund. Das Gewicht des Antriebsmotors ist als zweitrangig einzustufen.

Diese Aussagen haben für das sogenannte stationäre Verhalten des Gleichstrommotors Gültigkeit, welches durch eine stationäre Kennlinie dargestellt wird. Da unser Gleichstrommotor jedoch immer wieder in seiner Drehzahl und Belastung verändert wird, ist das sog. dynamische Verhalten für uns ebenfalls von grosser Wichtigkeit, da von praktischer Bedeutung.

Die für uns wichtigen Punkte sind die sog. Drehzahl-Drehmomenten- Kennlinien (Drehzahl in Abhängigkeit des Drehmomentes) und die sog. Ankerstrom-Drehmomenten-Kennlinien (Drehmoment in Abhängigkeit von Ankerstrom). Wir wollen wissen, wie sich unser zukünftiger Gleichstrommotor in unterschiedlichen Fahrsituationen verhält; sich also Drehmoment und Stromverbrauch bei unterschiedlichen Belastungszuständen verhalten.

Im nachfolgenden Beispiel (Bild 7) ist ein dynamisches Verhalten grafisch dargestellt.

Bild 7: (Quelle: Author)
Hat das angelegte Drehmmoment [M] den Wert Null (da wo sich die beiden Achsen schneiden), nennt man diese Drehzahl 'Leerlaufdrehzahl' [no]. Diese Angabe findet man oft auf Verpackungen oder Hochglanzprospekten. Leider sagt uns diese herzlich wenig, da unser Motor immer mit einem Drehmoment belastet ist - und sei es "nur" durch angeflanschte Getriebe, die bekanntlich mechanische Verluste haben, also dem Motor einen mechanischen Widerstand entgegensetzen (sog. 'angelegtes Moment'). Folgt man der Drehzahlkennlinie nach rechts, nimmt das angelegte Drehmoment zu und der sog. Drehzahlabfall des Motors tritt ein. (= Verringerung der Drehzahl).

Bild 7 a) zeigt den Drehzahlverlauf in Abhängigkeit des angelegten Drehmomentes [M] sowie die Zunahme des aufgenommenen Ankerstromes [I_Anker]. Wir sehen in diesem Beispiel, dass auch bei steigender Belastung, der Drehzahlabfall relativ gering ist. Der Fachmann würde sagen, die Charakteristik eines solchen Motors ist "hart". Des weiteren ist auf Bild 7 a) die Stromaufnahme ersichtlich. Sie ist Null bei Drehmoment Null (dieser Punkt ist ausserhalb der Grafik in Bild 7) und steigt mit zunehmenden Drehmoment in unserem Beispiel relativ steil an.

Bild 7 b) zeigt dasselbe wie Bild 7 a), jedoch sind zwei Stromverläufe gezeichnet: I_Anker_1 und I_Anker_2.
I_Anker_2 ist ein Beispiel für einen Gleichstrommotor mit geringerem magnetischen Fluss. (Der magnetische Fluss ist vom verwendeten Magnetwerkstoff abhängig.) Teure (= da selten oder komplex in der Herstellung) Magnetwerkstoffe haben eine grosse Flussdichte und weisen in unserem Beispiel (I_Anker_1) eine geringere Steigung des Stromverlaufes auf. Billige(re) Magnetwerksoffe hingegen besitzen einen geringere Flussdichte auf und dadurch eine grosse Steigung im Stromverlauf (I_Anker_2). Was das in der Praxis bedeutet, sagt uns Bild 7b): Liegt bei "Billigmotoren" ein grosses Drehmoment am Motor an, so nimmt die Stromaufnahme stark zu, im Gegensatz zu Motoren mit hochwertigen Magnetwerkstoffen, wo die Stromaufnahme weniger stark ansteigt. Ein Modell, welches also ständig mit hohen Drehmomenten am Motorabtrieb (!) konfrontiert wird, nimmt in Abhängigkeit des verwendeten Magnetwerkstoff unterschiedlich hohe Ströme auf. Wir können also folgende Schlussfolgerungen daraus ziehen:

Der Einsatz eines (oft teuren) Gleichstromotors mit höherwertigem Magnetwerkstoff ist demzufolge nicht notwendigerweise das Mass aller Dinge das eine niedrige Stromaufnahme garantiert. Sorgt man dafür, dass das angelegte Drehmoment möglichst klein ist, erreicht man unter Umständen mehr; einen Betrieb mit "erträglichem" Stromverbrauch.

Genügt nämlich bereits ein niedriges Drehmoment (Bsp. M_A) um unser Modell fortzubewegen (Bsp. unter Verwendung eines hochwertigen, sinnvoll abgestuften Getriebe), so kann auch mit einem Gleichstrommotor "von der Stange" ein akzeptabler Stromverbrauch erreicht werden, da wir uns beim Betrieb des Modells nahe der Nenndrehzahl [no] bewegen. (Vergleichen Sie hierzu die Schnittpunkte von I_Anker_1 und I_Anker_2 mit den beiden Momenten M_A und M_B: Sie stellen fest, dass bei M_A die Differenz zwischen I_Anker_1 und I_Anker_1 relativ gering ist. In diesem Fall würde sich die Anschaffung eines teureren Elektromotors mit höherwertigen Magnetwerkstoffen kaum lohnen.)

7. Die Drehzahlstellung ("Drehzahlsteuerung")
Mit Gleichstrommotoren kann man (abhängig von der Auslegung / Konstruktion) problemlos beliebige Drehzahlen einstellen / erreichen. Über folgende Grössen kann die Drehzahl verändert werden:
  • Ankerspannung U_A (sog. Spannungssteuerung)
  • Hauptfeldfluss '&eta' - sprich "Fih" (sog. Feldsteuerung) also quasi die "Stärke" des Magnetfeldes
  • Ankerwiderstand R_Anker(sog. Widerstandssteuerung)

Spannungssteuerung
Die Ankerspannung [U] ist für uns eine regelbare Grösse, mit welcher die Drehzahl geregelt werden kann. Wichtig anzumerken ist, dass der (Anker)Strom unabhängig von der angelegten Spannung ist. Der Motor bezieht durch seine Wirkungsweise quasi automatisch die notwendige Stromstärke der Energiequelle. Dies im Gegensatz zu einer Verbrennungsmaschine, welche "von aussen" immer mit einer, der Belsatung entsprechenden, Teribstoffmenge "gefüttert" werden muss (Bsp. Hirn - Fuss - Gaspedal - Vergaser oder Einspritzpumpe - Treibstoffzufuhr - Abgabeleistung verändern).

Feldsteuerung
Bei dieser Methode wird der magnetische Hauptfeldfluss ['Phi'] verändert. Logischerweise ist dies nur dann möglich, wenn das Hauptfeld mittels Erregerwicklungen, also nicht mittels Permanentmagneten, erzeugt wird. Bei Modellmotoren ist der magnetische Hauptfluss konstruktionsbedingt gegeben (Dauermagnete mit konstantem magnetischen Fluss) und kann (vom Käufer) nicht verändert werden. Trotzdem sei an dieser Stelle nochmals auf Bild 7 b) hingewiesen, in welchem die Stromaufnahme in Abhängigkeit vom magnetischen Hauptfluss dargestellt ist. Je höher der magnetische Fluss, desto geringer die Stromaufnahme bei konstant gleichbleibendem Moment.

Widerstandssteuerung
Die Widerstandssteuerung trifft man oft bei Modellbausätzen an. Dabei liegt dem Bausatz ein, mittels Servo bedienbarer, verstellbarer Widerstand bei. Dieser ist in Serie mit dem Elektromotor geschaltet und bei Stromfluss fällt über diesem eine Spannung nach dem ohmschen Gesetz U = R * I ab und über dem Motor liegt eine um diesen Betrag niedrigere Spannung an. Dabei wird die "unbenötigte" Energie in Form von Wärme "vernichtet" (Prinzip Elektroheizung). Wir erinnern uns an dieser Stelle, dass ein Gleichstromotor immer "selbständig" diejenige Stromstärke bezieht, die für die Überwindung des angelegten Drehmomentes notwendig ist. Die Spannungverringerung über dem Motor führt also nur zu einer Verringerung der Drehzahl, nicht aber zu einem geringeren Stromverbrauch. (Also spielt es bei einer solcher Art der Drehzahlsteuerung eigentlich keine Rolle, ob Sie immer Vollgas oder nur Dreiviertelgas fahren.)