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Elektromotoren » Aufbau, Funktionsweise und Arten einfach erklärt

Immer dann, wenn sich in unserer modernen Welt etwas auf Knopfdruck dreht oder bewegt, sind meistens Elektromotoren am Werk. Dies wird aber nur den wenigsten Anwendern bewusst. Selbst wenn sie täglich Zahnbürsten, Mixer, Waschmaschinen, Rollos, Garagentore oder unzählige andere Geräte und Maschinen per Tastenklick zum Leben erwecken. Diese augenscheinliche Nichtbeachtung ist in gewisser Weise recht leicht nachvollziehbar, denn Elektromotoren verrichten oft versteckt, leise und unauffällig über Jahre hinweg ihren Dienst.

Doch mittlerweile rücken Elektromotoren wieder verstärkt ins Rampenlicht des allgemeinen Interesses. Denn die elektrischen Kraftpakete erzeugen nicht nur mechanische Energie. Sie sind auf dem besten Wege, den Verbrennungsmotor in unseren Kraftfahrzeugen zu verdrängen. Das ist ein Grund mehr, sich näher mit dem Thema Elektromotor zu beschäftigen.

Was ist ein Elektromotor?

Der Vorläufer dieses Elektromotors wurde vor fast 200 Jahren erfunden.

Einfach ausgedrückt ist ein Elektromotor oder auch E-Motor ein elektromechanischer Wandler, der aus elektrischer Leistung eine mechanische Leistung erzeugt. Demzufolge verfügen Elektromotoren über einen Stromanschluss, an dem die elektrische Energie zugeführt wird. Der mechanische Abtrieb, der im einfachsten Fall als Welle ausgeführt ist, dreht sich und dient als Antrieb für Maschinen und Geräte.

Das Funktionsprinzip eines Elektromotors beruht auf der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes. Dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld aufbaut, entdeckte der dänische Physiker und Philosoph Hans Christian Ørsted bereits 1820. Die ersten praxistauglichen Elektromotoren wurden bereits 1838 der Öffentlichkeit vorgestellt.

Aber erst als 1866 die Erzeugung elektrischer Energie im großen Umfang möglich war, setzte sich der Elektromotor immer mehr durch und verdrängte Schritt für Schritt die bis dato genutzten Dampfmaschinen.

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Die drei wesentlichen Bestandteile eines Elektromotors.

Bei einem Elektromotor nutzt man die Tatsache, dass sich Magnete, je nachdem wie man sie zueinander ausrichtet, gegenseitig beeinflussen. Gleiche Magnetpole stoßen sich ab und ungleiche Magnetpole ziehen sich an.

Um einen Elektromotor bauen zu können, braucht man zunächst einen Dauermagneten in einer bestimmten Bauform (1). Dieser Dauermagnet wird Stator genannt.

Im Stator ist ein drehbares Eisenteil (2) gelagert, um das eine Spule aus Kupferdraht (3) gewickelt ist. Dieses Bauteil des Motors wird Rotor oder auch Anker genannt.

Wenn durch die Spule des Ankers Gleichstrom fließt, baut die Spule ein Magnetfeld auf und der Eisenkern des Ankers wird zum Elektro-Magneten. Da der Anker drehbar gelagert ist, wird er sich nun so ausrichten, dass immer die ungleichen Pole der beiden Magnete gegenüberstehen (siehe nachfolgende Skizze A).

So lange der Strom nicht abgeschaltet wird, bleibt der Anker in dieser Stellung stehen, da er von den magnetischen Kräften in dieser Position festgehalten wird  (siehe nachfolgende Skizze B).

Damit sich der Rotor aber kontinuierlich weiter dreht, muss die magnetische Ausrichtung des Rotors umgepolt werden. Dies erreicht man, indem man einfach die Stromrichtung in der Spule ändert. Diese Aufgabe übernimmt ein Schleifring (Kommutator), an dem die beiden Kontakte mit der Versorgungsspannung anliegen.

Kurz bevor der Rotor die optimale Ausrichtung erreicht hat, wird der Strom über den Schleifring abgeschaltet und gleich darauf mit umgekehrter Polung wieder eingeschaltet (siehe animiertes Bild).

Mit der umgekehrten Stromrichtung polt sich auch das Magnetfeld des Rotors um. Nun stehen sich jeweils gleiche Magnetpole gegenüber, die sich mit aller Kraft abstoßen. Der Anker dreht weiter, bis sich nach einer viertel Umdrehung die ungleichen Magnetpole wieder anziehen. Kurz vor der optimalen Ausrichtung wird der Strom wieder umgepolt und der Ablauf beginnt erneut.

Elektromotor mit dreipoligem Anker für einen zuverlässigen Motoranlauf.

Hinweis:
Die Drehrichtung des Ankers ist von der Polung der Schleifkontakte abhängig. Polt man die Spannung um, wird sich auch die Drehrichtung des Rotors ändern.

Da ein Elektromotor mit einem zweipoligen Anker nur sehr unzuverlässig anläuft, werden in der Praxis Rotoren mit drei oder mehreren Polen eingesetzt.

Die Drehgeschwindigkeit ist von der Höhe der Betriebsspannung abhängig. Je höher die Spannung, desto schneller dreht der Motor. Allerdings darf dabei die maximale Betriebsspannung des Motors nicht überschritten werden.

Wodurch unterscheiden sich Gleich- und Wechselstrommotoren?

Wie bereits aufgezeigt, werden Gleichstrommotoren mit einem Dauermagneten als Stator betrieben. Wird die Betriebsspannung des Rotors umgepolt, ändert sich die Drehrichtung des Motors.

Würde man einen Gleichstrommotor mit einer Wechselspannung von 50 Hz betreiben, kann der Rotor nicht 100 Mal pro Sekunde die Drehrichtung ändern. In diesem Fall würde der Rotor sich nicht drehen, sondern lediglich ein Brummgeräusch abgeben.

Wechselstrommotor mit Statorwicklung im oberen Bereich.

Um das zu vermeiden, muss sich das Magnetfeld des Stators im gleichen 50 Hz-Rhythmus ändern wie das des Rotors.

In der Praxis wir das erreicht, in dem man für den Stator keinen Dauermagneten, sondern ein Paket aus Blechstreifen verwendet, das mit einer Erregerwicklung ausgestattet ist. Die Magnetfelder des Stators und des Rotors ändern sich nun synchron 100 Mal pro Sekunde, wodurch der Motor kontinuierlich in eine Richtung laufen kann.

Wenn die Statorwicklung und die Ankerwicklung hintereinander geschaltet sind (Reihenschaltung/Serienschaltung), wird der Motor als Reihenschlussmotor oder Hauptschlussmotor bezeichnet. Diese Motorentypen werden in Haushaltsgeräten wie Mixer oder Staubsauger genutzt.

Sind die Statorwicklung und die Ankerwicklung parallel geschaltet, wird der Motor auch als Nebenschlussmotor bezeichnet.

Was ist ein Drehstrommotor?

Bei größerem Leistungsbedarf, z.B. in der Industrie, bei der Produktion oder in elektrischen Maschinen, werden Elektromotoren nicht mit Wechselspannung, sondern mit Dreiphasen-Wechselstrom oder auch „Drehstrom“ betrieben. In der Praxis haben sich Kurzschlussläufer bestens bewährt, da sie so gut wie keinerlei Verschleißteile aufweisen und extrem wartungsarm sind.

Was genau ist Drehstrom?

Die drei Phasen L1, L2 und L3 sind um 120° zueinander verschoben.

Bei der Stromversorgung von Gebäuden stellt der Energieversorger drei Phasen (stromführende Leitungen) zur Verfügung.

Für die Elektroinstallation wird der Spannungsunterschied von einer der drei Phasen (L1, L2 oder L3) und dem Neutralleiter (N) genutzt. Die Spannung beträgt in diesem Fall 230 V.

Da die drei Phasen zeitlich um 120° zueinander verschoben sind, kann man zwischen den Phasen einen Spannungsunterschied von 400 V messen.

Schematischer Aufbau eines Drehstrommotors.


Ordnet man drei Drahtspulen (SP1 bis SP3) dreiecksförmig an und verbindet sie mit den drei Phasen, bauen die Spulen ein Magnetfeld auf, das sich im Rhythmus der Netzfrequenz „dreht“.

Nun braucht man nur noch einen magnetischen Rotor in das Zentrum der drei Spulen zu montieren, der vom drehenden Magnetfeld „mitgenommen“ wird.

Demzufolge kommt ein Drehstrommotor ohne Kommutator aus, was den Aufbau deutlich vereinfacht.

Zerlegter Drehstrommotor mit Ankerwicklung und Rotor.

Der Rotor besteht aus einer Welle (1) mit kreisrunden und untereinander isolierten Eisenlamellen (2). In den Rotor sind mehrere massive Metallstäbe (im Bild nicht sichtbar) eingebettet, die als Stromleiter dienen. Auf beiden Seiten des Rotors sind die Metallstäbe mit jeweils einer Metallplatte (3) leitend verbunden (kurzgeschlossen). Der dadurch entstandene Leiterkäfig sorgte für die Bezeichnung Käfigläufer oder auch Kurzschlussläufer.

Das Magnetfeld der Statorspulen (4) induziert in den Leitern des Rotorkäfigs einen Strom, der seinerseits ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Die gegenseitige Beeinflussung der Magnetfelder sorgt dafür, dass der Rotor in eine Drehbewegung versetzt wird.

Die Drehrichtung ist von der Reihenfolge der Phasenverschiebung auf den Anschlussleitungen abhängig und kann durch das Vertauschen von zwei der drei Anschlussleitungen geändert werden.

Schaltschema der Stern-/Dreieck-Schaltung.

Aufgrund des hohen Anlaufstromes werden leistungsstarke Drehstrommotoren in Sternschaltung (Skizze A) gestartet. Dadurch sind immer zwei der drei Spulen (SP1 - SP3) in Serie zwischen den Phasen angeordnet. Wenn der Motoren auf Drehzahl gekommen ist, erfolgt die Umschaltung auf Dreieckschaltung (Skizze B), damit der Motor die volle Leistung abgeben kann.

Die Drehzahl ist von der Netzfrequenz und von der Anzahl der Spulenpaare abhängig. Ein Motor mit vier Spulenpaaren hat entsprechend der nachfolgenden Formel eine feste Umdrehungszahl von 750 Umdrehungen pro Minute.

50 Hz x 60 Sekunden/Minute = 3000 : 4 Spulenpaare = 750 Umdrehungen/min

Wenn eine Drehzahlregelung erforderlich ist, müssen Frequenzumrichter benutzt werden. Frequenzumrichter verändern die feste Frequenz der Wechselspannung im Versorgungsnetz in eine variable Frequenz für den angeschlossenen Motor.

Da der Rotor dem Magnetfeld des Stators nacheilt und nicht synchron ist, werden diese Motoren auch als Asynchronmotoren bezeichnet. Im Gegensatz dazu dreht sich bei einem Synchronmotor der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators. Allerdings sind Synchronmotoren deutlich aufwändiger aufgebaut.

Was ist ein Kondensatormotor?

Ein Kondensatormotor ist ein Wechselstrommotor, der für kleinere Leistungen ausgelegt ist. Er zählt zur Gruppe der Asynchronmotoren und wird mit 230 V Wechselspannung gespeist.

Der Aufbau eines Kondensatormotors ist an einem Kurzschlussläufer-Motor mit Käfigrotor angelehnt. Allerdings besitzt der Kondensatormotor nur eine Hauptwicklung (SP1) und eine mechanisch um 90° versetzte Hilfswicklung (SP2).

Damit der Rotor in Bewegung versetzt werden kann, muss der Spannungsanstieg in der Hilfswicklung zeitlich versetzt stattfinden. Dies wird erreicht, indem ein Kondensator (K) mit der Hilfswicklung in Serie geschaltet wird. Der Blindstrom, der durch das ständige wechselseitige Laden des Kondensators im 50 Hz-Rhythmus entsteht, sorgt für eine Phasenverschiebung von 90° in der Hilfswicklung und somit für das Anlaufen des Motors.

Schaltbeispiel eines Wechselstrom-Kondensatormotors

Verdrahtung eines Kondensatormotors.

Anwendungsbeispiel in einem Kompressor

Der Kondensator befindet sich oberhalb des Motors in einem Kunststoffgehäuse.

Aufgrund der Verdrahtung der beiden Spulen und des Kondensators wurde bei der Produktion des Motors eine Drehrichtung vorgegeben. Diese Drehrichtung hält der Motor immer ein, unabhängig davon, in welcher Position der Netzstecker in die Steckdose gesteckt wird.

Was ist ein Brushless-Elektromotor?

Brushless-Elektromotoren sind im Prinzip Drehstrommotoren, die in der Steuerungstechnik, als Fahrzeugantriebe und auch im Modellbaubereich eingesetzt werden. Da die Motoren keine Kohlebürsten haben, gibt es auch kein Bürstenfeuer, das die Fernsteuertechnik oder die Ansteuerelektronik stört.

Dabei unterscheiden sich die Motoren in ihrer Bauausführung in Innen- und Außenläufer.

Innenläufer

Bei einem Innenläufer befinden sich die Statorwicklungen außen im feststehenden Gehäusemantel. Der Rotor besteht aus einem zylinderförmigen Dauermagneten, der sich innerhalb des Gehäusemantels dreht.

Außenläufer

Bei einem Außenläufer ist es genau umgekehrt. Der Stator mit den Spulen stellt das feststehende Innenteil des Motors dar. Das Motorgehäuse mit den Dauermagneten an der Innenseite ist drehbar gelagert und umschließt den Stator.

Konstruktionsbedingt weisen Innenläufer hohe Drehzahlen und ein eher geringes Drehmoment auf. Außenläufer hingegen haben ein hohes Drehmoment, aber keine so hohen Drehzahlen.

Damit Brushless-Elektromotoren effektiv genutzt werden können, benötigen sie einen speziellen Motorcontroller, der aus der Gleichspannung des Antriebsakkus einen künstlichen Drehstrom mit drei „Phasen“ macht. Im Modellbaubereich werden dazu spezielle Brushless-Drehzahlsteller (ESC = Electronic Speed Controller) verwendet. Die Stellinformation, wie schnell der Motor laufen soll, erhält der Drehzahlsteller vom Empfänger.

Um die Drehrichtung zu ändern ist es ausreichend, einfach zwei der drei Anschlussleitungen untereinander zu tauschen.

Was ist ein Schrittmotor?

Ein Schrittmotor oder auch Stepper ist im Prinzip ein Brushless-Elektromotor, der als Innenläufer aufgebaut ist. Aufgrund seiner Konstruktion und seiner Ansteuerung ist er in der Lage, definierte Drehbewegungen (Schrittwinkel) von 1,8 Grad oder weniger zu vollziehen.
Gespeist werden Schrittmotoren mit Gleichspannung, die in einer exakt vorgegebenen Weise/Reihenfolge auf die Motorspulen geschaltet werden muss. Aus diesem Grund werden Schrittmotoren elektronisch gesteuert.

Schrittmotoren gibt es in unterschiedlichen Bauformen:

Hybrid-Schrittmotor mit gezahntem Stator und gezahntem Magnet-Rotor.

Reluktanz-Schrittmotor

Bei diesem Motor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern und einem innen gezahntem Stator. Beim Einschalten des Statorstroms richtet sich der Rotor immer so aus, dass sich die Zähne des Rotors und die des Stators gegenüberstehen und somit der geringstmögliche Widerstand für den magnetischen Fluss entsteht.

Permanentmagnet-Schrittmotor

Bei einem Permanentmagnet-Schrittmotor besteht der Rotor aus einem starken Magneten, der sich nach dem Magnetfeld des Stators ausrichtet. Bei einem Permanentmagnet-Schrittmotor ist die mögliche Anzahl der Pole begrenzt, was auch zu einer begrenzten Auflösung der Drehschritte führt.

Hybrid-Schrittmotoren

Bei Hybrid-Schrittmotoren werden die Technik des Reluktanz- und des Permanentmagnet-Schrittmotors vereint. Dies führt zu einem drehmomentstarken Schrittmotor mit hoher Schrittauflösung.

Funktionsweise von Schrittmotoren

Ein bipolarer Schrittmotor besitzt zwei Spulen, die jeweils zwei Anschlüsse haben. Demzufolge besitzen bipolare Schrittmotoren 4 Anschlusskabel, die nach außen geführt werden.

Bei einem unipolaren Schrittmotor haben die beiden Spulen jeweils noch zusätzliche Mittelanzapfungen, die ebenfalls mit nach außen geführt werden. Darum besitzen unipolare Schrittmotoren sechs Anschlusskabel.

Im Prinzip spielt es aber keine Rolle, ob bei einem bipolaren Schrittmotor die Spulen umgepolt werden oder bei einem unipolaren Schrittmotor wechselseitig jeweils eine Halbspule mit Strom versorgt wird. Die grundsätzliche Funktionsweise ist immer gleich.

Das nachfolgende Bild zeigt die Funktionsweise eines unipolaren Schrittmotors im Vollschrittbetrieb, bei dem immer zwei Spulen vom Strom durchflossen werden (Step 1 – 4).

Schrittmotor im Vollschrittbetrieb.

Im gezeigten Beispiel hat der Motor vier Pole und der Rotor zwei Pole, wodurch sich bei jedem Schritt eine Drehung um 90° ergibt. Da immer zwei Spulen gleichzeitig mit Strom versorgt werden, ist das Drehmoment des Rotors entsprechend groß.

Im Halbschrittbetrieb wird zwischen den Vollschritten immer eine Spule abgeschaltet. Bei gleicher Konstruktion wird dadurch die Anzahl der Schritte verdoppelt. Allerdings ist das Drehmoment bei den Halbschritten geringer, da auch die magnetische Kraft auf den Rotor geringer ist.

Schrittmotor im Halbschrittbetrieb.
Vereinfachte Darstellung eines Schrittmotors

Bei entsprechender Konstruktion ist es möglich, einen handelsüblichen Schrittmotor z.B. mit 200 Schritten pro Umdrehung zu realisieren. Dadurch ergibt sich pro Schritt ein Schrittwinkel von 1,8°.

Die Ansteuerung eines Schrittmotors übernimmt ein Microcontroller, der die Abfolge der Schritte entsprechend den Forderungen in der Anwendung steuert.

Ein Motortreiber übernimmt die Schaltfunktionen der Statorspulen und stellt den erforderlichen Strom zur Verfügung.

Was ist ein Getriebemotor?

Ein Getriebemotor besteht entweder aus einem Gleich- oder einem Wechselstrom-Motor, an dem ein Getriebe angeflanscht wurde. Durch das Getriebe wird die Drehzahl des Motors reduziert und gleichzeitig das Drehmoment erhöht.

Getriebemotoren werden vorzugsweise in der Fördertechnik und beim Maschinenbau eingesetzt, wenn langsame Bewegungen und hohe Kraftentfaltung gefragt sind. Aber auch im Modellbau, z.B. als Antriebsmotoren für Kettenfahrzeuge, kommen Getriebemotoren zum Einsatz.

Als Getriebebauformen werden vorzugsweise Planetengetriebe, Schneckengetriebe oder auch Stirnradgetriebe verwendet.

Planetengetriebe-Motor

Planetengetriebe-Motoren haben keinen Versatz zwischen Motorwelle und Ausgangswelle.

Schneckenradgetriebe-Motor

Bei einem Schneckenradgetriebe erfolgt der Abtrieb 90° zur Motorwelle versetzt.

Stirnradgetriebe-Motor

Stirnradgetriebe sind einfach aufgebaut, robust und haben einen hohen Wirkungsgrad.

Einsatzbereiche von Elektromotoren

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