Elektromotoren

Elektromotor Aufbau

Elektromotoren sind heutzutage nicht mehr weg zu denken. Sie befinden sich in Haushaltselektronik und in größeren Anwendungen wie Elektroautos oder großen Industrieanlagen.

Du hast gar keine Lust dich schon wieder durch so viel Text zu kämpfen? Gar kein Problem, schau dir einfach unser Video zum Aufbau des Elektromotors an und in einem weiteren Video lernst du alles zu dessen Funktionsweise .

Inhaltsübersicht

Elektromotor Erklärung

Elektromotoren sind elektromechanische Wandler. Sie erzeugen aus elektrischer Leistung mechanische Leistung.

Merke
Ihre Funktionsweise basiert auf den magnetischen Eigenschaften des Stroms. Sie erzeugen dabei rotierende, aber auch translatorische Bewegungen.

Magnete beeinflussen sich immer gegenseitig, je nachdem wie sie zueinander ausgerichtet werden. Dabei stoßen sich gleiche Pole ab und ungleiche Pole ziehen sich an. Der Elektromotor ist das Gegenstück des Generators, dieser wandelt Bewegungsleistung in elektrische Leistung um.

Elektromotor Aufbau

Alle Elektromotoren bestehen aus einer beweglichen und einer unbeweglichen Baugruppe.

Die bewegliche Baugruppe wird als Rotor, Anker, Polrad oder Läufer bezeichnet. Im Folgenden werden die Begriffe Rotor und Anker verwendet. Die unbewegliche Baugruppe wird als Stator bezeichnet.

Elektromotor Aufbau Rotor anker Polrad Läufer Kommutator
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Elektromotor Aufbau

Bewegliche Baugruppe: Rotor

Das Magnetfeld für die Funktion des Elektromotors wird durch eine Spule aus lackiertem Kupferdraht erzeugt. Sie ist im Rotor auf einen Eisenkern aufgewickelt und wird von Strom durchflossen.

In den meisten Fällen besteht der Rotor aus einer Achse und der Spule. Im Falle des Gleichstrommotors , besitzt der Rotor außerdem einen Kommutator, über welchen er den Strom bezieht. Die Kommutatorlamellen sind mit den Rotorspulen verbunden und in Reihe geschaltet. Das lateinische Wort „commutare“ welches übersetzt „vertauschen“ bedeutet, beschreibt die Funktion des Kommutators sehr gut. Er wechselt die Stromrichtung im Rotor und dient als Stromwender. Wird die Stromrichtung geändert, so ändert sich auch das Magnetfeld. Dies ist erforderlich, damit sich der Motor weiterdreht.

Der Kommutator besteht meistens aus einer metallischen Scheibe, welche in mehrere, isolierte Bereiche geteilt ist und sich um die Achse des Motors dreht. Über Kohlebürsten wird der Kommutator mit Strom versorgt. Diese sind Reibung ausgesetzt und müssen daher relativ häufig ausgetauscht werden.

Kommutator Elektromotor Kohlebürsten
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Kommutator Elektromotor

Schau dir unseren Beitrag zum Gleichstrommotor an. Hier erklären wir dir wie dies funktioniert.

Der Kommutator besteht meistens aus einer metallischen Scheibe, welche in mehrere, isolierte Bereiche geteilt ist und sich um die Achse des Motors dreht. Über Kohlebürsten wird der Kommutator mit Strom versorgt. Diese sind Reibung ausgesetzt und müssen daher relativ häufig ausgetauscht werden.

Unbewegliche Baugruppe: Stator

Der Stator besteht entweder aus einem Elektromagneten oder einem Dauermagneten. Er liegt meistens außen und ist mit dem Gehäuse verbunden. Als Werkstoff wird weichmagnetisches Eisen verwendet. Um Wirbelströme im Magnetfeld zu vermeiden, wird der Stator in der Regel geblecht.

Das heißt, es werden mehrere voneinander isolierte Blechschichten übereinander montiert. Aufgabe des Stators ist es, das magnetische Feld zu erzeugen oder zu führen. Motoren bei denen sich der Stator innen befindet, heißen Außenläufer.

Stator Elektromotor Aufbau
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Stator Elektromotor

Elektromotor Beispiel

Dies ist das Schema eines zweiteiligen Gleichstrommotors mit einer elektrischen Erregung des Stators. Der Stator besteht aus den fest angeordneten Polen, welche die elektrische Erregung zur Erzeugung des Hauptflusses enthalten. Der magnetische Hauptfluss wird über das Gehäuse und den Hauptpol geleitet und geht über den Luftspalt in den Rotor über. Der Hauptpol bestehet aus Polschaft und Polschuh. Durch die Anordnung der Spulen im Rotor und den Kommutator fließt der Rotorstrom unter dem Nord- und Südpol in entgegengesetzte Richtung und trägt somit zur Drehmomentbildung bei.

Elektromotor Aufbau Elektromotor Beispiel Polschaft Stator Polschuh Rotor
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Elektromotor Beispiel

Elektromotor Funktionsweise

Die Funktionsweise eines Elektromotors wird in einem separaten Video gesondert ausführlich behandelt. Unser Video zur Elektromotor Funktionsweise findest du hier .

Ein Elektromotor ist ein elektromechanischer Wandler. Er wandelt elektrische Leistung in mechanische Leistung um.

P_{el}\leftrightarrow P_{mech}

Für das Verständnis von Elektromotoren muss man sich einige Gesetzmäßigkeiten angucken, die allgemeine Gültigkeit haben. In unserem Video zur Berechnung eines Gleichstrommotors , werden diese Zusammenhänge und Formeln erklärt und angewandt.

Elektromotor Funktionsweise: Wirkungsgrad

Als erstes betrachten wir den Wirkungsgrad, dieser ist das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Es gilt:

\eta=\frac{P_{ab}}{P_{zu}}

P_{zu}=P_{ab}+P_{Verlust}

Für einen Motor ist P_{zu} die elektrische und P_{ab} die mechanische Leistung. Haben wir einen Generator, vertauscht sich das Verhältnis. Ein Motor nimmt Spannung und Strom auf und gibt ein Drehmoment M und Drehzahl n ab. Beim Generator verläuft das ganze umgekehrt.
Ein Beispiel für einen Generator im Alltag ist der Dynamo, der das Licht an einem Fahrrad erzeugt.

Elektromotor Funktionsweise: Leistung

Die Leistungsfähigkeit eines Motors wird über die Nennleistung definiert. Diese wird folgendermaßen berechnet.

P=M\cdot\omega

Ersetzt man die Winkelgeschwindigkeit durch \frac{2\pi\cdot n}{60} und löst nach dem Drehmoment auf, so erhält man:

M=\frac{P}{2\pi\cdot n}\cdot60

Hier ist zu beachten, dass die Drehzahl n in Umdrehungen pro Minute angegeben wird. Daher muss diese durch 60 geteilt werden. Die 60 landet dann im Zähler.

Elektromotor Funktionsweise: Funktionsprinzip

Jetzt haben wir die allgemeinen Gesetzmäßigkeiten geklärt und betrachten, warum sich ein Elektromotor überhaupt dreht. Dafür verantwortlich sind drei physikalische Wirkprinzipien, die für jede Art von Motor gelten. Um nochmal die Grundlagen aufzufrischen, kannst du dir gerne die Videos zum Thema „Magnetisches Feld“ und „Spule und Induktion“ ansehen.

Elektromotor Funktionsweise: Wirkungsprinzip I

Beginnen wir direkt mit dem ersten Prinzip: dem magnetischen Kreis. Der magnetische Kreis entsteht analog zum elektrischen Stromkreis. Um einen stromdurchflossenen Leiter bei geschlossenem Stromkreis bildet sich ein Magnetfeld. Ähnlich wie bei einem Stromkreis gibt es einen magnetischen Fluss, der die Folge einer magnetischen Spannung ist und durch einen magnetischen Widerstand behindert wird. Für den magnetischen Fluss \phi gilt:

\phi=\frac{U_m}{R_m}↔I=\frac{U}{R}

\phi=B\cdot A

Der magnetische Widerstand R_m ist abhängig vom Material des Leiters und berechnet sich folgendermaßen:

R_m=\frac{1}{\mu}\cdot\frac{l}{A}

\mu=Permeabilität eines Werkstoffes

Die Permeabilität \mu eines Werkstoffes ist nicht konstant, sondern feldabhängig. Sie wird mit der sogenannten Hysteresekurve angegeben.

Magnetischer Kreis Hysteresekurve Permeabilität
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Magetischer Kreis und Hysteresekurve

Diese Kurve beschreibt die Magnetisierung eines Stoffes. In ihr lässt sich auch die Remanenz ablesen. Die Remanenz ist die Restmagnetisierung eines Stoffes, nachdem das Magnetfeld abgeschaltet ist.

Elektromotor Funktionsweise: Wirkungsprinzip II

Die Frage ist nun, wie das Magnetfeld und die elektrische Spannung zusammenhängen. Dies führt uns zu dem zweiten Wirkungsprinzip, dem Induktionsgesetz. Wird der magnetische Fluss in einer Leiterschleife verändert, dann wird eine Spannung induziert.

Induktionsgesetz Elektromotor Funktionsweise
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Induktionsgesetz

Bei einer großen Anzahl n an Schleifen wird folglich die n-fache Spannung induziert.

Es gilt:

U=\frac{\Delta\phi}{\Delta t}

Der Fluss kann über die Zeit verändert werden, aber auch eine Flächenänderung induziert eine Spannung.

Elektromotor Funktionsweise: Wirkungsprinzip III

Nun kommen wir zum letzten Wirkungsprinzip. Damit sich ein Motor dreht, brauchen wir eine Kraft. Wir beschäftigen uns also mit der Kraftwirkung.

Du hast bestimmt schonmal von der Dreifinger-Regel für die Lorentzkraft gehört. Diese besagt, dass auf deinen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem senkrechten Magnetfeld befindet, eine Kraft ausgeübt wird, die Lorentzkraft:

F_L=I\cdot l\cdot B

Ist die Leiterschleife drehbar gelagert, so entsteht durch die Kraftwirkung und den Hebelarm ein Drehmoment und bei n Schleifen das n-fache Drehmoment. Dieses Drehmoment entsteht solange, bis die Schleife eine stabile Lage erreicht hat. Dann muss die Stromrichtung umgepolt werden und die Leiterschleife wird weitergedreht.

Elektromotor Arten

Grundsätzlich gibt es Motoren, die mit Gleichstrom betrieben werden und Motoren, die mit Wechselstrom betrieben werden.

Bei den Gleichstrommotoren  unterscheidet man zwischen permanent erregten und elektrisch erregten Motoren. Der Unterschied liegt in der unterschiedlichen Ausführung des Stators: einmal als Dauermagnet und einmal als Elektromagnet.

Bei den elektrisch erregten Gleichstrommaschinen gibt es eine weitere Einteilung in fremderregter Gleichstrommotor , Neben- , Reihen- und Doppelschlussmotoren . Der Unterschied ist dabei die Anschlussart an die Stromquelle. Diese kannst du dir in den jeweiligen Videos dazu angucken. Hier erfährst du deren Aufbau und Funktionsweise. Außerdem gibt es noch weitere spezielle Bauformen, wie den bürstenlosen Gleichstrommotor .

Wird der Motor mit Dreiphasenwechselstrom betrieben, handelt es sich um einen Drehstrommotor . Hier wird in Asynchron- und Synchronmotor unterschieden.

Zusammengefasst bedeutet das also für den Aufbau und das Funktionsprinzip des Elektromotors:

Ein Elektromotor besteht aus einem Rotor und einem Stator. Wir benötigen ein Magnetfeld, welches durch Erregerspulen erzeugt wird und durch Eisen verstärkt und geführt wird. Wenn wir eine Leiterschleife in dem Magnetfeld drehen, so wird eine Spannung induziert. Eine Drehbewegung erhalten wir, wenn sich die stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld befindet und auf diese die Lorentzkraft wirkt.

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