Elektromotor

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Wie funktioniert ein Elektromotor und wie ist sein Aufbau? Das alles erfährst du in diesem Beitrag.

Ein Elektromotor ist ein Bauelement, dass elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann. Daher wird ein Elektromotor auch elektomechanischer Wandler genannt. Die zwei haupt Bestandteile von einem Elektromotor ist der Rotor (Elektromagnet) und der Stator (Permanentmagnet)

Der Stator ist ein Permanentmagnet der die Aufgabe besitzt ein konstantes Magnetfeld zu erzeugen. Der Rotor ist ein Eisenstück, dass mit einer Spule umwickelt ist. Wird die Spule unter Strom gesetzt, so baut sich innerhalb der Spule ein Magnetfeld, mit einem Nord- und einem Südpol, auf. Die entgegengesetzten Pole vom Rotor und Stator ziehen sich an und die gleichnamigen Pole vom Rotor und Stator stoßen sich ab. Es kommt zu einer Drehung des Rotors.

Damit der Rotor sich weiter dreht, muss sich sein Magnetfeld zum richtigen Zeitpunkt umpolen. Dazu muss sich die Stromrichtung innerhalb der Spule umdrehen. Diese aufgabe übernimmt der Kommutator (Polwender).

Ein Elektromotor wird im Alltag sehr oft verwendet. Man findet ihn in vielen Haushaltsgeräten, Automaten, Elektronikgeräten und mittlerweile auch als Antriebsmotor für Fahrzeuge und Zügen.

Der Elektromotor besteht aus zwei haupt Bauteilen, zum einen der unbewegliche Stator (Dauermagnet) und zum anderen der bewegliche Rotor.

Der Rotor ist vom Stator umhüllt und besteht aus einem Eisenkern. Der Eisenkern wird auch Anker genannt, da seine Form an ein Schiffsanker erinnert. Um den Anker ist eine Spule gewickelt. An dem Anker ist der sogenannte Kommutator befestigt. Der Kommutator kann sich mit dem Anker zusammen drehen. Die Spule ist mit dem Kommutator verbunden. Über Bürsten bzw. Schleifkontakte ist der Kommutator mit der Spannungsquelle verbunden. Der Strom fließt also zum Kommutator und gelangt daraufhin in die Spule. Der Kommutator wird oft auch als Polwender bezeichnet, da er für die Umpolung des Magnetfeldes vom Rotor zuständig ist.

Der Rotor ist das bewegliche Bauelement des Elektromotors. Er besteht aus einem Eisenkern (Anker) und ist mit einer Spule umwickelt. Sobald die Spannungsquelle angeschlossen wird, fließt durch die Spule ein Strom. Eine Strom durchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. Dabie ist die Polung des Magnetfeldes von der Stromrichtung abhängig.

Um heraus zu finden, wie das Magnetfeld gerichtet ist, kann man die Rechte-Hand-Regel anwenden.

Die Magnetfeldlinien sind im Inneren einer Spule "gradlinig" vom Südpol zum Nordpol gerichtet. Außerhalb der Spule verlaufen Sie vom Nordpol zum Südpol.

Beim Stator handelt es sich um einen Dauermagneten. Er ist beim Elektromotor das unbewegliche Bauelement. Der Stator erzeugt ein konstantes Magnetfeld mit dem das magnetfeld des Rotors wechselwirkt.

In dem unteren Video ist die Funktionsweise vom Elektromotor leicht erklärt.

Die Funktionsweise eines Elektromotors beruht auf die Anzeihung und Abstoßung von Magneten. Gleiche magnetische Pole stoßen sich ab und entgegengesetzte Pole zeihen sich an. Der Stator erzeugt ein konstantes Magnetfeld. Der Rotor erzeugt ein Magnetfeld dessen Polung durch die Stromrichtung innerhalb der Spule bestimmt ist. Das Magnetfeld des Rotors muss so angepasst werden, dass eine Drehbewegung erzeugt wird. Dies geht wie folgt:

1. Am Anfang befindet sich der Rotor in einer Senkrechten Position. Noch fließt kein Strom durch die Spule. Der Rotor besitzt kein Magnetfeld und wird daher von Stator weder angezogen noch abgestoßen.

2. Sobald die Stromquelle angelgt wird, fließt durch die Spule ein Strom. Die Stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. Der Rotor ist nun zu einem Magnet (Elektromagnet) geworden. Er besitzt ein Nordpol und ein Südpol.

3. Die entgegengesetzten magnetischen Pole des Rotors und des Stators ziehen sich an und die gleichnamigen Pole stoßen sich ab. Der Rotor ist drehbar gelagert, es kommt also zur Drehung des Rotors. Bis die ungleichen Pole von Rotor und Stator sich gegenüberstehen. Der Rotor würde nun zum stehen kommen. Die Position bei der die entgegengesetzten Pole zu einer gerichtet sind, nennt man optimale Ausrichtung.

4. Damit die Drehbewegung des Rotors fortgesetzt werden kann, muss die magnetische Ausrichtung des Rotors umgepolt werden. Dies ist möglich, indem die Stromrichtung innerhalb der Spule umgedreht wird. Diese Aufgabe übernimmt der Kommutator (Polwender). Der Kommutator ist mit der Spule und der Spannungsquelle verbunden und wechselt die Stromrichtung der Spule zur richtigen Zeit. Damit kommt es zu einer Umpolung des Magnetfeldes des Rotors und die Drehbewegung wird fortgesetzt. Solange die Stromquelle angeschlossen ist, wiederholt sich die Umpolung des Rotors zur richtigen Zeit.

Um die Bewegung des Elektromotor aufrecht zu erhalten muss die Spannungsquelle angeschlossen sein. Der Kommutator leitet den Strom zur Spule weiter und sorgt für die Umpolung der Stromrichtung zur richtigen Zeit. Die Funktionsweise des Kommutators behandeln wir im nächsten Abschnitt.

Der Kommutator ist ein kreisförmiges Bauelement, dass mit der Spule des Rotors verbunden ist. Der Kommutator besteht aus 2 Teilbereichen die Strom leiten und zwei Teilbereiche die keinen Strom leiten (Isolatoren). Über Bürsten bzw. Schleifkontakte ist der Kommutator mit der Spannungsquelle verbunden. Die Schleifkontakte und die Spannungsquelle sind unbeweglich. Der Kommutator ist mit dem Anker verbunden und dreht sich dementsprechen mit.

Während der Drehung des Rotors liegend die Schleifkontakte für eine gewisse Zeit an den leitenden Bereichen des Kommutator und für einen kurzen Moment an den isolierenden Bereichen des Kommutators.

Bevor der Rotor die optimale Ausrichtung erreicht hat (Bild 1) sind die Schleifkontakte mit dem leitenden Bereich des Kommutators verbunden. Der Strom fließt durch die Spule und der Rotor besitzt ein Magnetfeld. Sobald der Rotor die optimale Ausrichtung erreicht hat (Bild 2), liegen die Schleifkontakte an dem nicht leitenden Teil des Kommutator. Der Stromfluss innerhalb der Spule wird unterbrochen und das Magnetfeld des Rotos bricht zusammen. Der Rotor besitzt genügend Schwung um sich weiter zu drehen, bis die Schleifkontakte wieder mit dem leitenden Bereichen des Kommutator verbunden sind. Nun jedoch in der umgekehrten Polung.

Mit der umgekehrten Stromrichtung wird auch das Magnetfeld umgepolt. Die gleichnamigen magnetischen Pole des Rotors und des Stators sind gegenüber stehend und stoßen sich ab. Der Rotor dreht sich solange weiter, bis die optimale Ausrichtung wieder erreicht ist, wo der Kommutator wieder eine Umpolung verursacht und der Prozess von neu beginnt.

Elektromotoren gibt es in verschiedenen Arten und Bauformen.

• Gleichstrommotor bzw. Kommutatormotor: Besteht aus einem Stator, Rotor und einem Kommutator.

• Wechselstrommotor: Ein Elektromotor der ohne einen Kommutator auskommt. Die Umdrehungszahl ist in Rythmus mit dem Wechselstrom.

• Drehstrommotor: Ein Elektromotor der an eine Spannungsquelle angeschlossen wird, welche aus drei um 120° phasenverschobene Wechselspannungen besteht

Beim Aufbau von Elektromotoren kommen verschiedene Ankertypen zum einsatz.

• Einfacher Anker: Der Anker ist so wie in diesem Beitrag geschildert. Er besteht aus zwei T-förmigen Eisenkernen und einer Spule.

• Dreifachanker: Besteht aus 3 T-förmigen Eisenkernen und einer Spule.

• Trommelanker: Besteht aus mehreren Spulen und vielen T-förmigen Eisenkernen.

Der Elektromotor ist das Gegenstück zum Generator. Beim Generator wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Durch eine Drehbewegung des Rotors wird eine Induktionsspannung erzeugt. Diese verursacht einen Stromfluss in einer Spule. Der Strom kann beispielsweise für die Beluchtung von Fahrradlampen verwendet werden kann.

Bei der sogenannten Innenpolmaschine wird der Rotor (Magnet) innerhalb des Stators (Spule) zu einer Drehbewegung gezwungen. Sobald die magnetischen Pole des Rotors an die Spule (Stator) vorbei bewegt werden, wird ein Induktionsstrom erzeugt. An dem Stator kannt die induzierte Spannung über Anschlüsse abgegriffen werden.

Hans Christian Ørsted entdeckte 1820 die magnetische Wirkung vom elektrischen Strom. Damit wurden einige wichtige Zusammenhänge zwischen der Elektrizitätslehre und dem Magnetismus erkannt. Sie bilden die Grundlagen zum Elektromagnetismus. 1821 also nur ein Jahr nach Ørsted's Erkenntnissen veröffentlichte Michael Faraday seine Arbeit über die "elektromagnetische Rotation". In den darauf folgenden Jahren entwickelten viele Wissenschaftler verschiedene vorläufer des Elektromotors. 1834 entwickelte Hermann Jacobi den ersten tauglichen Elektromotor und baute diesen 1838 in ein Boot ein. Damit wurde der Elektromotor erstamls als Antriebsmotor verwendet. In den darauf folgenden Jahren wurde auch das Gegenstück zum Elektromotor, der Generator entwickelt. 1866 ließ Werner von Siemens seine Dynamomaschine patentieren. Es war der erste Generator mit dem die Erzeugung von elektrischer Energie in größerem Umfang möglich wurde. Im späten 19.Jh wurden in vielen Großstädten Kraftwerke und Elektronetze aufgebaut. Mit der Bereitstellung von Elektrizität wurde der Elektromotor starkt verbreitet. Der Elektromotor trug maßgeblich zur Elektrifizierung der Industrie bei. So wurden Pferdebahnen durch elektrische Straßenbahnen ersetzt und anstelle von Dampfmaschinen wurden Elektromotoren als Antrieb für Arbeitsmaschinen verwendet.