Wie funktioniert ein Elektromotor?

Dieser Leitfaden bietet eine kurze Darstellung der Funktionsweise von Elektromotoren sowie der Art und Verwendung einiger Spezialmotoren.

Im Grunde ist das Grundprinzip eines Elektromotors identisch mit den anderen Motoren: Er wandelt eine Energieart (in diesem Fall Strom) in mechanische Energie um. Die elektromagnetischen Kräfte, die im Motor zum Einsatz kommen, sind die gleichen, die auch einen elektrischen Generator antreiben. Der Unterschied zu anderen Motoren liegt in seiner Konstruktion, denn er zeichnet sich durch zwei wichtige Elemente aus: Der Rotor ist der rotierende Teil der Maschine und findet sich in jeder rotierenden Maschine, z. B. in Turbinen und Kompressoren. Der Stator hingegen ist der Teil eines Motors, der am Motorgehäuse befestigt ist und dessen Aufgabe es ist, den magnetischen Fluss zu leiten. Der magnetische Fluss wird durch den Strom erzeugt, der durch die Spulen fließt. Gleichzeitig induziert er eine elektromotorische Kraft in den Rotor, der seinerseits ein eigenes magnetisches Drehfeld erzeugt. Das vom Rotor erzeugte Magnetfeld versucht, sich mit dem Magnetfeld des Stators auszurichten und erzeugt so eine Drehbewegung im Rotor, der sich kontinuierlich zu drehen beginnt.

Aufbau und Funktion von Elektromotoren

Der **Elektromotor **wird nicht nur im Haushalt und immer mehr in Fahrzeuge eingesetzt, es wird vor allem in der Industrie eingesetzt. Laut Hochrechnungen wird etwa die Hälfte des weltweiten Stromverbrauchs durch industrielle **Elektromotoren **verursacht.

Obwohl die meisten elektrische Motoren rotierender Art sind, findet man manchmal auch lineare Elektromotoren im Einsatz. Dieser Motortyp erzeugt eine Zugkraft und nicht, wie die rotierenden Motoren, eine Drehmoment-Kraft. Es genügt zu sagen, dass der lineare **Elektromotor **vor dem rotierenden Motor erfunden wurde, um Zuglokomotiven zu ziehen.

Nebst dem Rotor und Stator besteht ein elektrischer Motor vor allem aus mechanischen Teilen:

das Kugellager, wodurch die Reibung stark reduziert wird, damit sich die Welle drehen kann
die Dichtungen, die das Eindringen von Wasser und Staub verhindern
das Gehäuse, eine Struktur, die den Stator und die Lager zusammenhält
die seitlichen Rippen, die zur Ableitung der im Inneren des Motors erzeugten Wärme dienen
der Lüfter im Rotor, der dazu beiträgt, die Wärme aus dem Gehäuse abzuführen
den Motoranschlusskasten, an den die Motorkabel angeschlossen sind.

Drehstrommotoren

**Elektromotoren **können entweder mit Gleichstrom oder Wechselstrom betrieben werden. Es gibt aber auch Motoren, die je nach Situation Strom aus der einen oder anderen Quelle beziehen.

Ein **Drehstrommotor **funktioniert nach dem Dreiphasensystem, die gängigste Form der Erzeugung, Übertragung und Verteilung von Wechselstrom. Bei diesem System werden drei ausgeglichene Sinuswellen mit einer Verzögerung von 120 Grad zwischen ihnen verwendet, um das System auszugleichen. Es ist wichtig zu wissen, dass die Stromversorgung eines Dreiphasensystems aus vier Kabeln besteht, dem Nullleiter und den anderen Dreiphasenkabeln (R, T und S). Diese Art von System wird für Anlagen oder Lasten verwendet, die mehr Leistung benötigen.

Wechselstrommotoren, auch Drehstrom-Asynchronmotoren oder **Induktionsmotoren **genannt, sind die am weitesten verbreiteten Motoren, was auf eine Reihe von Vorteilen zurückzuführen ist. Sie wissen u. a. durch geringe Wartungs-, Montage- und Produktionskosten und Einfachheit im Vergleich zu Gleichstrommotoren zu überzeugen.

**Drehstrommotoren **werden in der Industrie häufig verwendet, z. B. in Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Förderbändern und vielen anderen Maschinen, aber auch außerhalb der Industrie findet man **Drehstrommotoren **in Aufzügen, Rolltreppen usw.

Spezialisierte Elektromotoren

Dahlander-Motor

Der Dahlander-Motor ist ein dreiphasiger Asynchron-Elektromotor. Er verfügt über zwei verschiedene Geschwindigkeiten und kann in verschiedenen Situationen in der Industrie eingesetzt werden, z. B. bei Kranen, Hebezeugen, Förderanlagen, Maschinen und Geräten, die einen **Asynchronmotor **erfordern. Bei diesem Motortyp ist die Drehzahl umso niedriger, je höher die Polzahl ist, und desto höher, je niedriger die Polzahl ist.

**Universalmotor **(AC und DC)

Dieser Motortyp ist für den Betrieb mit einer Wechselstromquelle oder einer Gleichstromquelle ausgelegt. **Universalmotoren **sind Reihenmotoren, sind relativ klein und können Drehzahlen bis zu 30.000 U/min erreichen. Diese Motoren werden oft eingesetzt, im Haushalt findet man sie in Mixern, Staubsaugern aber auch Bohrmaschinen usw.

Reihenmotor

Ein elektrischer **Reihenmotor **verfügt über eine beträchtliche Beschleunigung und ein hohes Drehmoment. Die Ankerwicklungen und die Drossel sind in Reihe geschaltet, daher der Name. Der Einsatz wird dort bevorzugt, wo eine ziehende Kraft (Traktion) benötigt wird, wie in Winden und elektrischen Zügen.

Parallelmotor

Wie im Namen angedeutet, sind Ankerwicklungen und die Drossel parallel geschaltet. Dieser Motortyp verfügt über eine einfache Drehzahlregelung und wird in verschiedenen Arten von Maschinen, Förderanlagen, Aufzügen und Instrumenten eingesetzt.

Verbundwerkstoff-Motor

Dieser auch als **Mischmotor **bezeichnete Motor hat zwei Erregerwicklungen: eine im Nebenschluss und eine in Reihe, mit subtraktiver oder additiver Verbindung und kurzem oder langem Anschluss.

Er nutzt im Grunde die Vorteile des Reihen- und des Parallelmotors. Es ist sehr leistungsfähig, wenn es auf Lasten einwirkt, sodass es Maschinen wie Scheren und mechanische Pressen antreiben kann.

Fremderregter Motor

Induktor und Anker werden von separaten Gleichstromquellen gespeist. Die Feldwicklung, die die Erregung erzeugt, besteht aus Leitern, die keine hohen Ströme vertragen. Dieser Motor findet primär dort Anwendung, wo ein konstantes Drehmoment gefragt ist, so z. B. bei Elektrowerkzeuge und Kolbenpumpen.

Motorsteuerung, Motorstarter und Frequenzumrichter

Frequenzumrichter werden zur Steuerung der Drehzahl von **Elektromotoren **eingesetzt. Durch die Umwandlung von Frequenz und Spannung werden Drehzahl und Drehmoment an die jeweilige Anwendung angepasst. In diesem Sinne kann durch den Einsatz von Umrichtern auch die Energieeffizienz optimiert werden. In komplexen Automatisierungssystemen sind **Elektromotoren **unabdingbar, und daher wird der Einsatz von Umrichtern zunehmen, gerade um das richtige Gleichgewicht des Energieaufwands in den verschiedenen Anwendungen zu finden.

Das Leistungsspektrum der Antriebe reicht von wenigen Watt bis über 100 MW. Obwohl der Wirkungsgrad aktueller Frequenzumrichter im Allgemeinen über 95 % liegt, gibt es immer einen gewissen Prozentsatz an Leistungsverlusten, in der Regel in Form von Wärme. Diese Wärme muss durch natürliche Konvektion, Wasserkühlung oder Luftkühlung mithilfe von Lüftern abgeführt werden.

Leistungsstarke **Elektromotoren **werden in der Regel von einem Wechselrichter gesteuert, einem Gerät, das das Wechselstromsignal aus dem Stromnetz, das in den Motor gelangt, in Gleichstrom und dann wieder in Wechselstrom umwandelt. Denn in vielen Fällen ist ein direkter Start über das Netz aufgrund des hohen Anlaufstroms nicht mehr möglich. Nach diesem Vorgang wird das Wechselstromsignal gepulst und breitenmoduliert, sodass die Frequenz und die Spannung reguliert werden können und folglich die Drehzahl und das Drehmoment des Motors gesteuert werden können.