Mit Google fortfahren
Elektromotor: Aufbau und Funktion einfach erklärt
Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Dazu erzeugt eine stromdurchflossene Spule ein Magnetfeld. Dieses wechselwirkt mit dem Magnetfeld des Stators und setzt den Rotor in Bewegung. Ein Kommutator sorgt beim einfachen Gleichstrommotor dafür, dass die Drehung nicht nach kurzer Zeit endet.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was bewirkt die erste Bewegung?
Stell dir eine drehbar gelagerte Spule zwischen zwei Magnetpolen vor. Sobald Strom durch die Spule fließt, wird sie selbst zum Elektromagneten: An ihren Seiten entstehen ein Nord- und ein Südpol.
Für die Wechselwirkung der Magnetpole gilt:
- Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
- Ungleichnamige Pole ziehen sich an.
Anziehung und Abstoßung wirken gleichzeitig auf verschiedene Seiten des Rotors. Dadurch entsteht eine Drehwirkung.
Drehmoment
Ein Drehmoment ist die Drehwirkung einer Kraft. Beim Elektromotor entsteht es durch magnetische Kräfte auf gegenüberliegende Seiten der stromdurchflossenen Spule.
Der Nordpol des Rotors befindet sich nahe am Nordpol des Stators. Diese Pole stoßen sich ab. Gleichzeitig wird der Südpol des Rotors vom Nordpol des Stators angezogen. Beide Wirkungen drehen den Rotor in dieselbe Richtung.
Strom macht die Rotorspule zum Elektromagneten. Die Wechselwirkung mit dem Statorfeld erzeugt das Drehmoment.
Welche Bauteile arbeiten zusammen?
Das einfache Modell eines Gleichstrommotors besitzt vier wichtige Bauteilgruppen.
| Bauteil | Aufgabe |
|---|---|
| Stator | Bleibt fest und erzeugt das äußere Magnetfeld, zum Beispiel mit Dauermagneten. |
| Rotor oder Anker | Ist drehbar gelagert. Seine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. |
| Bürsten oder Schleifkontakte | Stellen während der Drehung den elektrischen Kontakt zur Spannungsquelle her. |
| Kommutator oder Polwender | Kehrt regelmäßig die Stromrichtung in der Rotorspule um. |
Ein Eisenkern in der Rotorspule verstärkt die magnetische Wirkung. Die Achse führt die Drehbewegung nach außen, damit der Motor etwas antreiben kann.
Wie wird aus Kräften eine fortlaufende Drehung?
Ohne einen Richtungswechsel würde sich die Rotorspule nur so weit drehen, bis sie passend zum äußeren Magnetfeld ausgerichtet ist. Dann stehen sich anziehende Pole gegenüber. Das Drehmoment wird null, und der Rotor bleibt stehen.
Für eine fortlaufende Drehung müssen die magnetischen Verhältnisse im richtigen Moment wechseln:
- Strom fließt durch die Rotorspule und macht sie zum Elektromagneten.
- Magnetische Kräfte erzeugen ein Drehmoment.
- Der Rotor nähert sich der Stellung, in der die Drehwirkung verschwindet.
- Die Stromrichtung in der Spule wird umgekehrt.
- Dadurch vertauschen Nord- und Südpol des Rotors ihre Positionen.
- Die neuen Anziehungs- und Abstoßungskräfte treiben den Rotor in derselben Drehrichtung weiter.
Kommutierung
Kommutierung ist die regelmäßige Umkehr der Stromrichtung in einer Motorspule. Beim einfachen Gleichstrommotor geschieht sie mechanisch durch Bürsten und Kommutator.
Vor der Umpolung werden zwei ungleichnamige Pole zueinander gezogen. Würde die Polung unverändert bleiben, käme der Rotor dort zur Ruhe. Der Kommutator kehrt die Stromrichtung um. Nun liegen gleichnamige Pole nahe beieinander und stoßen sich ab. Der Rotor bewegt sich in seiner bisherigen Drehrichtung weiter.
Was geschieht am Totpunkt?
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 bewegt sich wegen seiner Trägheit weiter. Trägheit bedeutet: Ein bewegter Körper behält seine Bewegung bei, solange keine ausreichende Gegenwirkung ihn stoppt. 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 ein einfacher Rotor genau im Totpunkt, reicht seine Trägheit nicht aus: Er kann möglicherweise nicht selbst anlaufen.
Der Kommutator polt um; die Trägheit trägt den laufenden Rotor durch die kurze antriebslose Phase.
Wie werden Motoren kräftiger und gleichmäßiger?
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 sonst gleichen Bedingungen 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 kann aus jeder Stellung anlaufen und läuft bei niedriger Drehzahl ruhiger als ein einfacher Anker.
- Ein Trommelanker besitzt noch mehr Wicklungen und Kommutatorsegmente. Dadurch wird sein Drehmoment gleichmäßiger.
Nicht jeder Elektromotor verwendet einen mechanischen Kommutator. Beim bürstenlosen Gleichstrommotor schaltet eine Elektronik die Statorspulen. Synchron- und Induktionsmotoren arbeiten mit einem rotierenden Magnetfeld. Der einfache kommutierte Gleichstrommotor bleibt dennoch ein besonders anschauliches Modell für das Motorprinzip.
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.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektromotor
- Energieumwandlung: elektrisch zu mechanisch
- Stator: äußeres Magnetfeld
- Rotor: stromdurchflossene Spule
- Magnetische Kräfte: Drehmoment
- Kommutator: Umkehr der Stromrichtung
- Totpunkt: Trägheit überbrückt die antriebslose Phase
- Mehrere Wicklungen: besserer Anlauf und gleichmäßigerer Lauf
- Generator: umgekehrte Energieumwandlung
Abschluss-Check
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.