Gleichstromgeneratoren

Dreht sich der Anker des Generators zwischen zwei stationären Feldpolen, fließt der elektrische Strom im Anker einen halbe Umdrehung lang in eine Richtung und eine halbe Umdrehung lang in die entgegengesetzte Richtung. Um Gleichstrom zu erhalten, ist eine Vorrichtung außerhalb des Generators erforderlich, welche die Stromrichtung umkehrt und praktisch nur eine Fließrichtung zulässt. Diese Umkehrung ermöglicht der so genannte Kollektor (Stromwender oder Kommutator). In der primitivsten Ausführung besteht der Kollektor eines Gleichstromgenerator aus einem gespaltenen Metallring, der auf der Welle des Ankers montiert ist. Die beiden Hälften des Ringes sind voneinander getrennt und bilden die Enden der Ankerspule. Feststehende Metall- oder Kohlebürsten werden gegen den rotierenden Kollektor gedrückt und stellen den elektrischen Kontakt der Spule zu den Drähten außerhalb des Generators dar. Bei der Umdrehung des Ankers haben die Bürsten abwechselnd mit den Hälften des Kollektors Kontakt. In dem Augenblick, in dem der Strom in der Ankerspule seine Richtung ändert, tauschen auch die Kollektorhälften ihre Position. Daher fließt in dem Stromkreis, mit dem der Generator verbunden ist, ein Gleichstrom. Gleichstromgeneratoren werden meist mit ziemlich niedrigen Spannungen betrieben, um die Funkenbildung zwischen Bürsten und Kollektor zu vermeiden. Die höchste Spannung, die von solchen Generatoren erzeugt wird, beträgt meist 1 000 Volt.

Moderne Gleichstromgeneratoren besitzen trommelförmige Anker mit vielen Wicklungen. Diese sind mit entsprechenden Segmenten eines Mehrfachkollektors verbunden. In einem Anker mit nur einer Drahtschleife nimmt der erzeugte Strom leicht zu und ab, je nachdem, in welchem Teil des Magnetfeldes sich die Schleife bewegt. Ein Kollektor mit vielen Segmenten verbindet den äußeren Stromkreis immer mit einer Drahtschleife, die sich durch einen Bereich des Magnetfeldes bewegt. Als Folge bleibt der von den Ankerwindungen erzeugte Strom praktisch konstant. Die Felder moderner Generatoren besitzen zur Verstärkung des Magnetfeldes meist vier oder mehr Pole. Kleinere Zwischenpole gleichen Verzerrungen des Magnetfeldes aus, die durch die magnetische Wirkung des Ankers verursacht werden. Gleichstromgeneratoren werden häufig nach der Art der Bereitstellung des Stromes für das Magnetfeld unterschieden. Das Magnetfeld eines seriell gewickelten Generators steht in Reihenschaltung mit dem Anker. Ein Nebenschlussgenerator hat ein Feld, das parallel zum Anker geschaltet ist. So genannte Verbund- oder Doppelschlussgeneratoren haben einen Teil ihrer Felder in Reihe und einen Teil parallel. Sowohl Nebenschluss- als auch Verbundgeneratoren haben den Vorteil, bei unterschiedlicher elektrischer Last eine verhältnismäßig gleichmäßige Spannung zu liefern. Seriell gewickelte Generatoren werden hauptsächlich zur Erzeugung eines gleichmäßigen Stromes mit schwankender Spannung eingesetzt.

Gleichstrommotoren

Im Großen und Ganzen sind Gleichstrommotoren ähnlich aufgebaut wie Gleichstromgeneratoren. In einem Gleichstrommotor wird bei Stromfluss durch den Anker ein Drehmoment erzeugt, das den Anker in Drehbewegung versetzt. Die Funktion des Kollektors und die Verbindung der Feldspulen des Motors sind genauso wie beim Generator. Die Drehung des Ankers induziert eine Spannung in den Ankerwicklungen. Diese induzierte Spannung ist der von außen an den Anker angelegten Spannung entgegengesetzt und wird daher auch als Gegenspannung bezeichnet. Sie kann bei schneller laufendem Motor fast so groß werden, wie die angelegte Spannung. In diesem Fall ist die Stromstärke sehr gering und der Motor läuft mit konstanter Geschwindigkeit. Im Lastbetrieb wird der Anker langsamer. Als Folge nimmt die Gegenspannung ab und der Stromfluss durch den Anker zu. Dadurch ist der Motor in der Lage, mehr Leistung aufzunehmen und mehr mechanische Arbeit zu verrichten. Weil die Rotationsgeschwindigkeit die Stromstärke im Anker steuert, sind zum Starten eines Gleichstrommotors spezielle Vorrichtungen erforderlich. Wird bei stillstehendem Anker die normale Arbeitsspannung angelegt, fließt ein sehr starker Strom, der den Kollektor und die Ankerwicklungen beschädigen kann. Zur Vermeidung solcher Schäden wird meist ein Widerstand vor den Anker geschaltet - der so genannte Vorwiderstand. Dieser reduziert die Stromstärke bis der Motor eine ausreichende Gegenspannung aufgebaut hat. Während der Beschleunigungsphase wird die Wirkung des Vorwiderstandes langsam verkleinert. Diese Verringerung kann entweder von Hand oder automatisch erfolgen. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Gleichstrommotor läuft, hängt von der Stärke des auf den Anker wirkenden Magnetfeldes und von der Stromstärke im Anker ab. Je stärker das Magnetfeld, desto geringer die Drehzahl, mit der die Gegenspannung erzeugt wird.