Aufbau und Funktionsweise von Elektromotoren

Die klassischen Bauteile eines Elektromotors sind der Stator, in dem sich ein drehender Rotor bewegt, sowie elektromagnetische Spulen im Inneren des Stators.

Das Anlegen einer Spannung im Inneren der Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das wiederum mit einem gegenpoligen Feld im Inneren des Rotors interagiert. Dazu befinden sich im Rotor ebenfalls entweder eine Spule oder ein Permanentmagnet. Es ist auch eine umgekehrte Bauweise möglich, das heißt, ein außenliegender Rotor agiert mit einem innenliegenden Stator, hierbei spricht man von einem Außenläufer.

Die kontinuierliche Drehung des Rotors wird durch einen permanenten Richtungswechsel der Stromrichtung erzeugt, Stator- und Rotorfeld ziehen sich so abwechselnd an und stoßen sich ab. Hierbei macht man sich die Lorentzkraft zu Nutze, also eine Kraft, die magnetische oder elektrische Felder auf eine Ladung ausüben.

Der Rotor ist das Bauteil des Elektromotors, das sich dreht und letztendlich die dadurch entstandene Kraft an die Welle überträgt. Er setzt sich aus einem magnetischen Kern oder einer elektrischen Spule und einem Anker zusammen, der wiederum die mechanische Bewegung an die Welle weitergibt. 

Je nach Bauart des Motors wird zwischen verschiedenen Rotoren unterschieden. So spricht man bei Permanentmagnetmotoren von Permanentmagnetrotoren, im Zusammenhang mit Synchronmotoren von Wicklungsrotoren und Käfigläufern bei Asynchronmotoren.

Bei der Auslegung von Elektromotoren ist zudem auch das Trägheitsmoment des Rotors zu berücksichtigen, was Einfluss auf die Schnelligkeit der Drehzahländerung hat.

Der Stator, also der feste Teil des Elektromotors, ist in den meisten Fällen um den beweglichen Rotor herum konstruiert. Er ist zugleich auch das Gehäuse bzw. fest mit diesem verbunden und besteht in den meisten Fällen aus Elektroblech. 

Im Stator sind Spulen oder Wicklungen aus elektrisch leitendem Material verbaut, in denen das elektromagnetische Feld erzeugt wird. Dieses Feld wiederum führt in Wechselwirkung mit dem Rotorfeld zu der Bewegung. Bei einem Außenläufer befindet sich der Stator innerhalb des umlaufenden Rotors.

Besonders bei Gleichstrommotoren werden die Begriffe Anker und Rotor häufig synonym verwendet. Eine spezielle, bei Gleichstrommaschinen am häufigsten vorkommende Bauart ist der Trommelanker.

Beim Trommelanker laufen die Wicklungen, anders als beim einfachen oder Dreifachanker, in Nuten parallel zur Drehachse des Rotors. Dies hat den Vorteil, dass sich der Weg des Stroms durch die Ankerwicklung während der Rotation nicht ändert. Trommelanker bestehen aus drei, also einer ungleichen Anzahl von Spulen.

Während des Umpolens (der Kommutation) fließt kein Strom durch die Spule, was bei einfachen Ankern dazu führt, dass bei bestimmten Positionen der Spule der Motor nach dem Einschalten nicht von selbst anläuft, da der fehlende Strom kein Magnetfeld erzeugt.

Der Trommelanker vermeidet diese Situation konstruktiv, eine Spule kann hier beim Starten dem Statorfeld nicht gegenüber liegen und damit “neutral” reagieren.

Elektromotoren mit Trommelanker sind eine kompakte, kostengünstige Anwendung für kleinere Geräte wie Rasierapparate, Bohr- oder Schleifmaschinen.

Der Kommutator ist ein entscheidendes Bauteil eines Elektromotors, da er für den Wechsel der Stromrichtung an den sogenannten Totpunkten verantwortlich ist. Am Totpunkt stehen sich Plus- und Minuspol der Magnetfelder von Rotor und Stator gegenüber. Der Kommutator (Stromwender) löst einen Wechsel der Stromrichtung aus, was wiederum zur Umpolung führt. Die Rotation wird also - unter Beibehalten des ohnehin vorhandenen Schwungs aus der Anfangsbewegung - fortgesetzt. Es entsteht ein Drehmoment.

Elektromotoren mit Trommelanker (“Trommelmotoren”) kommen aufgrund ihrer Bauweise in der Regel ohne Kommutator aus, da es hier nicht zum Gegenüberstehen der Magnetpole kommen kann.

Die Bauarten von Elektromotoren sind vielfältig und werden grob nach Anwendungsfall und Versorgung unterschieden.

Zunächst kann hauptsächlich zwischen Gleichstrom- und Wechselstrommotoren (DC-Motoren und AC-Motoren) klassifiziert werden. Neben der Art der versorgenden Stromquelle ist der daraus resultierende konstruktive Unterschied, ob ein Kommutator verbaut ist (bei Gleichstrommotoren) oder nicht.

Des Weiteren sollten die bürstenlosen Motoren als Sonderbauform betrachtet werden.

Der Gleichstrommotor (auch DC-Motor genannt, von englisch “direct current” also Strom, der nur in eine Richtung fließt) ist aufgrund seiner universellen Einsetzbarkeit aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken. Neben Anwendungen in der Maschinentechnik und Robotik ist er auch in Spielzeug oder Autos zu finden. Wie eingangs erwähnt, setzt sich der Gleichstrommotor auch Stator und Rotor zusammen, wobei der Rotor wiederum aus einer Spule mit Eisenkern besteht (als Anker bezeichnet). Der Anker wird über einen sich mitdrehenden Kommutator mit Gleichstrom versorgt.

Im Gegensatz zum Gleichstrommotor benötigt der Wechselstrommotor (auch AC-Motor genannt, von englisch “alternate current” also Strom, der alternierend - abwechselnd - seine Richtung wechselt) keinen Kommutator, da sich hier die Stromrichtung permanent selbst ändert.

Bei Wechselstrommotoren wird noch einmal zwischen Synchron- und Asynchronmotoren unterschieden.

Bei Asynchronmotoren bzw. Induktionsmotoren befinden sich im Stator Spulen, die mit Wechselstrom gespeist werden. Hierdurch wird ein alternierendes Magnetfeld erzeugt, das zusammen mit dem Magnetfeld im Rotor in Wechselwirkung geht - eine Drehbewegung wird erzeugt. Rotor und Stator haben keinen direkten Kontakt.

Beim Synchronmotor wird der Rotor synchron zur Frequenz der Drehung des Stators von einem bewegten magnetischen Drehfeld im Stator mitgenommen. Auch er wird mit Wechselstrom gespeist. Das Rotorfeld wird entweder durch einen Permanentmagneten erzeugt oder der Rotor wird durch eine externe Stromzufuhr versorgt, die anhand einer Feldspule ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Durch den Wegfall des Kommutators werden Betriebskosten gespart.

Kohlebürsten ermöglichen die Herstellung eines Schleifkontakts zwischen Rotor und Stator. Verzichtet man auf diesen Kontakt und erfolgt die Umpolung elektronisch (also ohne Kommutator) oder ist eine Umpolung aufgrund von Wechselstrombetrieb gar nicht notwendig, so kommen bürstenlose Motoren zum Einsatz. 

Einen Vorteil bietet die präzise Regelung der Drehzahl, Drehrichtung und des Drehmoments und ein geringerer Wartungsaufwand.

Es wird unterschieden zwischen bürstenlosen Wechselstrommotoren (BLAC oder BLACM, engl. für Brushless AC Motor) und bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC, engl. für Brushless DC Motor).

Das Drehmoment eines Motors wird in Nm, also Newtonmeter angegeben. Es ist das Produkt aus der Kraft F (in Newton) und dem Hebel (in Meter), die an einem Drehpunkt wirksam sind.

Bezogen auf eine sich drehende (Antriebs-) Welle eines Motors beschreibt das Drehmoment die Kraft, die auf die Welle bzw. den Rotor einer Maschine einwirkt. 

Multipliziert man das Drehmoment mit der entsprechenden Drehzahl, so ergibt sich die Leistung in Watt (W) oder Kilowatt (kW), eine der wichtigsten Kenngrößen eines Motors.

In Haushaltsgeräten befinden sich zumeist Kleinstmotoren mit einer Leistung bis zu einem kW.

Elektromotoren in industriellen Anwendungen wie beispielsweise für mittelgroße Pumpen, Förderanlagen, Lüftungsanlagen oder auch Elektroautos haben Leistungen zwischen einem und bis zu 500 kW.

Motoren mit darüber hinausgehender Leistung findet man in Antrieben für die Schwerindustrie, hierunter fallen auch Schiffsantriebe und Motoren in der Energieerzeugung.

Die IEC (International Electrotechnical Commission) hat internationale Standards bezüglich der Effizienz von Motorklassen definiert:

So besagen die Energieeffizienzklasse IE1 bis IE4 etwas über den Wirkungsgrad, und damit auch über die Umweltverträglichkeit des Gerätes aus. Dabei entsprechen die Effizienzklassen folgender Wirkungsgradklasse:

• IE1 - Standard Efficiency
• IE2 - High Efficiency
• IE3 - Premium Efficiency
• IE4 - Super Premium Efficiency

Der Wirkungsgrad stellt den Quotienten aus abgegebener Leistung (also mechanischer Leistung P) und zugeführter elektrischer Leistung dar. Die Entwicklung ist stets daran interessiert, einen möglichst hohen Wirkungsgrad und demnach geringe Energieverluste zu erzielen. Der Einsatz von Permanentmagneten spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Mit dem Ziel, die magnetische Induktion zu verbessern, werden moderne Materialien wie weichmagnetische Legierungen und Verbundwerkstoffe verbaut. Sie ermöglichen auch eine signifikante Verringerung der magnetischen Verluste und können das Gewicht und die Kosten von Elektromotoren reduzieren.

Finden Sie weitere Informationen zu den unterschiedlichen Bauarten von Elektromotoren und zum Thema Motorschutz in unseren untenstehenden empfohlenen Artikeln.