Elektromotoren

Voraussetzung für die einwandfreie Funktion eines Antriebes ist die richtige Auswahl des Motors. Dabei ist es wichtig das zum Antreiben eines Gerätes erforderliche Drehmoment zu kennen. Sowohl eine Überlastung als auch eine zu geringe Belastung kann unerwünschte Folgen haben. Es ist deshalb ratsam, die nachstehenden Erläuterungen über die Eigenschaften der verschiedenen Motorarten sowie die elektrischen und mechanischen Ausführungen zu berücksichtigen. Zur Erleichterung der Auswahl steht unseren Kunden die fachmännische Hilfe unserer Ingenieure zur Verfügung. Des Weiteren können erforderliche Messungen zur Optimierung eines Antriebes in unserem Labor vorgenommen werden.

Definition: Was ist ein Elektromotor?

Kurz gesagt ist ein Elektromotor ein elektromechanischer Wandler: Er wandelt elektrische Leistung in mechanische Leistung um. Die elektrische Leistung, der Strom, wird über einen entsprechenden Stromanschluss zugeführt und bewegt durch Ausnutzung magnetischer Wirkung den mechanischen Antrieb, der in den einfachsten Konstruktionen als Welle ausgeführt ist.

Wie funktionieren Elektromotoren?

Die Funktionsweise von Elektromotoren basiert auf magnetischen Wirkprinzipien: Je nach Ausrichtung beeinflussen sich Magnete gegenseitig – gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an.

Im Aufbau von Elektromotoren sind vor allem der Stator und der Rotor entscheidend. Der Stator (von lat. „stare“ – „stillstehen“) ist der unbewegliche Dauermagnet, der Rotor ist der drehbare Teil des Motors.   

• Beim Anschluss an die Stromquelle wird der Rotor zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol. Aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte bewegt sich der Rotor, bis die Pole von Stator und Rotor nah genug für die gegenseitige Anziehung sind und sich der Rotor daher nicht mehr weiterbewegt.
   
• Nun sorgt eine Vertauschung der Pole von Stator oder Rotor dafür, dass sich der Rotor weiter drehen kann. Bei Motoren mit Kommutator fällt diese Aufgabe dem Polwender zu: Dieser polt den Rotor um, wodurch sich die gleichnamigen Pole wieder abstoßen und sich der Rotor wieder bewegt. Bei Induktionsmotoren erfolgt die Drehung der Magnetfelder durch eine Rotation des Ständerfeldes.

Welche Arten von Elektromotoren gibt es?

Elektromotoren gibt es in verschiedensten Ausführungen. Die Hauptunterscheidung ist dabei die zwischen Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren, wobei für jede Variante weitere Unterarten existieren.

Typen von Gleichstrommotoren

• Reihenschlussmotor: Die Spulen von Stator und Rotor sind nacheinander in Reihe geschaltet.
• Nebenschlussmotor: Die Stator- und Rotor-Spulen sind parallel geschaltet.
• Doppelschlussmotor: Eine Kombination aus beiden Bauformen.
• Permanentmagnet-Motor: Der Stator wird über einen Permanentmagneten und nicht elektrisch über eine Spule erregt.

Typen von Wechselstrommotoren

• Einphasige Wechselstrommotoren: Hierzu gehören der nach dem Reihenschlussprinzip gebaute Universalmotor sowie der Kondensatormotor, bei dem der Kondensator in der Hilfswicklung das Magnetfeld und damit das Drehmoment erzeugt.
   
• Mehrphasige Wechselstrommotoren: Bei mit Dreiphasenwechselstrom betriebenen Elektromotoren sorgen drei im 120° Winkel zueinander angeordnete und jeweils von einer Phase gespeiste Spulen als Stator dafür, dass der Rotor angetrieben wird.
   
• Asynchronmotoren: Asynchronmotoren erzeugen ihr Drehmoment mittels Induktion selbst. Da die Umfangsgeschwindigkeit des elektromagnetisch induzierten Rotors nicht die Magnetfeld-Drehgeschwindigkeit erreicht, laufen sie asynchron und haben einen geringeren Wirkungsgrad als Gleichstrommotoren, sind jedoch besonders belastbar und robust.
   
• Synchronmotoren: Bei diesen Elektromotoren ist der Rotor mit Dauermagneten bestückt und kann sich mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit wie das Stator-Magnetfeld drehen. Die höhere Leistungsdichte sowie der erhöhte Wirkungsgrad sind jedoch nur durch einen komplexeren Aufbau möglich.
  • EC-Motor: Der Permanentmagnet ist am Rotor angebracht, der Stator enthält die Spulen – der Motor wird elektronisch mit einer Sinusspannungen kommutiert.
  • BLDC Motor: Der Permanentmagnet ist am Rotor angebracht, der Stator enthält die Spulen – der Motor wird elektronisch im Block (Gleichspannung) kommutiert.

Wer erfand den Elektromotor?

Der Elektromotor wurde nicht von einer einzelnen Person erfunden, sondern ist ein Konglomerat aus verschiedenen Entdeckungen und Erfindungen. So wurden Elektromotoren im Laufe der Zeit kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert – und auch heute noch haben die Motoren Verbesserungspotenzial, z.B. beim Wirkungsgrad.

Die wichtigsten Stationen der Entwicklung von Elektromotoren im Überblick

• 1800: Der italienische Physik-Professor Allessandro Volta konstruiert die nach ihm benannte Voltasche Säule, mit der kontinuierlich Strom erzeugt werden konnte.
• 1820: Der dänische Chemiker und Physiker Hans Christian Ørsted entdeckt, dass sich um einen von Strom umflossenen Leiter ein Magnetfeld bildet. Er erzeugte durch elektrischen Strom ein Magnetfeld, welches eine Kompassnadel in Bewegung setzte. Im gleichen Jahr wurde die Zylinderspule durch den französischen Physiker André-Marie Ampére erfunden.
• 1821: Der englische Naturforscher Michael Faraday entdeckt die elektromagnetische Rotation, und belegt experimentell, dass sich ein stromdurchflossener Leiter unter Einfluss eines Dauermagneten um seine eigene Achse dreht – die Grundlage für die Entwicklung von Elektromotoren.
• 1822: Der englische Physiker Peter Barlow entwickelt das Barlow´sche Rad, ein Gerät, welches mit Gleichstrom in Drehbewegung versetzt wurde.
• 1825: Der englische Physiker William Sturgeon entwickelt die ersten Elektromagnete.
• 1831: Michael Faraday entdeckt die elektromagnetische Induktion, durch die mit einem veränderlichen Magnetfeld elektrischer Strom erzeugt werden kann. Unabhängig von Faraday entdeckt auch der US-amerikanische Physiker Joseph Henry die elektromagnetische Induktion.
• 1832: Der französische Instrumentenbauer Hippolyte Pixii baut den ersten Wechselstrom-Generator.
• 1834: Der preußisch-russische Ingenieur und Physiker Moritz Hermann von Jacobi entwickelt den ersten rotierenden Elektromotor (Leistung: ca. 15W) – in späteren Weiterentwicklungen erreicht er 300W Leistung (1838) bzw. 1000W (1839).
• 1866: Werner von Siemens, ein deutscher Industrieller, entwickelt auf Basis des dynamoelektrischen Prinzips den ersten elektrischen Generator, wodurch elektrische Energie jetzt in großem Umfang produziert werden konnte.
• 1888: Unabhängig voneinander gelingen Nikola Tesla und Galileo Ferrari wichtige Durchbrüche bei der Erfindung und Entwicklung im Bereich der Wechsel- und Drehstromtechnik.
• 1889: Der russisch-stämmige Elektroingenieur Michail von Dolivo-Dobrowolsky entwickelt auf Basis der Grundideen von Tesla und Ferrari den auch heute noch weit verbreiteten Induktionsmotor (Dreiphasen-Käfigläufer-Motor).

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