Elektromotor: Aufbau und Funktion einfach erklärt

Eine Spule besteht aus Draht, der in mehreren Windungen aufgewickelt ist. Stell dir eine solche Spule drehbar gelagert zwischen zwei Magnetpolen vor. Sobald Strom durch sie fließt, wird sie selbst zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol.

Für die Wechselwirkung der Magnetpole gilt:

• Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
• Ungleichnamige Pole ziehen sich an.

Ist das Magnetfeld des Rotors noch nicht entlang des äußeren Feldes ausgerichtet, können Anziehung und Abstoßung ihn drehen. Genauer betrachtet wirken magnetische Kräfte auf gegenüberliegende stromdurchflossene Leiterstücke der Spule. Obwohl diese Kräfte entgegengesetzt gerichtet sind, können sie gemeinsam eine Drehwirkung erzeugen.

Das einfache Modell eines Gleichstrommotors besitzt vier wichtige Bauteilgruppen.

Ein Eisenkern in der Rotorspule verstärkt die magnetische Wirkung. Die Achse führt die Drehbewegung nach außen, damit der Motor etwas antreiben kann.

Der einfache Kommutator besteht aus zwei leitenden Halbringen, die durch isolierende Spalte getrennt sind. Jeder Halbring ist mit einem Spulenende verbunden und dreht sich mit dem Rotor. Die feststehenden Bürsten gleiten darüber. Nach jeder halben Umdrehung berührt jede Bürste den anderen Halbring: So vertauscht sich die Verbindung der Spulenenden mit Plus und Minus, obwohl die Spannungsquelle gleich gepolt bleibt.

Ohne Umkehr der Stromrichtung wird die Rotorspule in eine Stellung gezogen, in der ihr Magnetfeld zum äußeren Feld ausgerichtet ist. Dort stehen sich ungleichnamige Pole gegenüber und das Drehmoment ist null. Ein bewegter Rotor kann zunächst darüber hinausschwingen; dann wirkt das Drehmoment zurück. Durch Reibung und andere Verluste kommt er schließlich zur Ruhe. Er wird also nicht dauerhaft in derselben Drehrichtung angetrieben.

Für eine fortlaufende Drehung müssen die magnetischen Verhältnisse im richtigen Moment wechseln:

1. Strom fließt durch die Rotorspule und macht sie zum Elektromagneten.
2. Magnetische Kräfte erzeugen ein Drehmoment.
3. Der Rotor nähert sich der Stellung, in der die Drehwirkung verschwindet.
4. Die Stromrichtung in der Spule wird umgekehrt.
5. Dadurch vertauschen Nord- und Südpol des Rotors ihre Positionen.
6. Die neuen Anziehungs- und Abstoßungskräfte treiben den Rotor in derselben Drehrichtung weiter.

Der Totpunkt ist beim einfachen Motormodell die Stellung, in der vorübergehend kein antreibendes Drehmoment wirkt. Beim geteilten Kommutator können die Bürsten in diesem Moment auf den isolierenden Spalt treffen. Dann ist der Stromkreis kurz unterbrochen.

Ein bereits laufender Rotor kann sich wegen seiner Trägheit weiterdrehen: Ohne bremsendes Drehmoment würde seine Drehbewegung unverändert bleiben. Im Motor reicht seine Bewegungsenergie bei ausreichender Drehzahl aus, um die kurze antriebslose Phase trotz Reibung und Belastung zu überwinden. Nach dem Totpunkt berühren die Bürsten die jeweils andere Kommutatorhälfte. Der Strom fließt nun in umgekehrter Richtung, und das neue Drehmoment treibt den Rotor weiter.

Steht der einfache Rotor genau im Totpunkt, läuft er aus dieser Stellung nicht von selbst an: Trägheit setzt einen ruhenden Körper nicht in Bewegung.

Bei einem sehr einfachen Anker schwankt das Drehmoment während jeder Umdrehung stark. In der Nähe des Totpunkts ist es besonders klein. Technische Verbesserungen verteilen die Kraftwirkung gleichmäßiger:

• Eine Spule mit mehr Windungen verstärkt bei gleicher Stromstärke, Spulenfläche, Feldstärke und Stellung die Drehwirkung.
• Ein Eisenkern verstärkt beziehungsweise führt das Magnetfeld der Spule.
• Mehrere räumlich versetzte Wicklungen sorgen dafür, dass nicht alle Teile gleichzeitig im Totpunkt stehen.
• Ein Dreifachanker vermeidet den gemeinsamen Totpunkt und kann bei ausreichendem Antrieb aus jeder Stellung anlaufen. Er läuft bei niedriger Drehzahl ruhiger als ein einfacher Anker.
• Ein Trommelanker besitzt noch mehr Wicklungen und Kommutatorsegmente. Dadurch wird sein Drehmoment gleichmäßiger.

Motor und Generator unterscheiden

Motor und Generator nutzen verwandte elektromagnetische Zusammenhänge, aber die Richtung der Energieumwandlung ist verschieden:

• Motor: elektrische Energie hinein, mechanische Energie heraus.
• Generator: mechanische Energie hinein, elektrische Energie heraus.

Du hast das Motorprinzip verstanden, wenn du die Kette selbst erklären kannst: Strom erzeugt ein Rotormagnetfeld, magnetische Kräfte erzeugen ein Drehmoment, und die Kommutierung erneuert dieses Drehmoment nach jeder halben Umdrehung.