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Der Elektromotor

Inhalt:

Funktionsprinzip

Kommutator und Stromversorgung

Ankertypen

Motortypen

Elektromotor und Lorentzkraft

Funktionsprinzip

Befindet sich eine Kompassnadel (Permanentmagnet!) in einem Magnetfeld, so wird sie sich (entsprechend dem Prinzip gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an) so weit drehen, bis sie parallel zu den Feldlinien ausgerichtet ist (vgl. GIF-Animation).

Selbiges würde mit einem drehbar gelagerten Elektromagneten (stromdurchflossene Spule mit Eisenkern) geschehen, wie die zweite (schematische) GIF-Animation zeigt.

Könnte dieser Elektromagnet die Richtung des durch seine Spule fließenden Stromes jedoch im geeigneten Augenblick umkehren, so würde er in Bewegung bleiben; aufgrund seiner Trägheit würde er ja den "toten Punkt" leicht überwinden und dann mit neuer Kraft weitergedreht werden. Dies veranschaulicht die dritte Animation: Umpolen des Spulenstromes alle 180°.

Und schon ist die prinzipielle Funktionsweise eines Elektromotors geklärt. Der technischen Umsetzung dieses Prinzips ist der Rest dieser Seite gewidmet.

(Hinweis: Die Drehbewegung lässt sich auch mit Hilfe der Lorentzkraft erklären, siehe unten.)

Kommutator und Stromversorgung

Das Umpolen des drehbar gelagerten Elektromagneten (auch Anker genannt) wird in der Technik durch Kommutatoren (Stromwender) bewerkstelligt. Der Kommutator ist an der Ankerwelle fest angebracht und besteht aus voneinander isolierten, gebogenen Metallplättchen, die mit den Enden des Spulendrahtes leitend verbunden sind. (In untenstehender Animation sind die Kommutatorplättchen gelb und blau eingefärbt.) Die auf der Oberfläche des Kommutators schleifenden Kohlebürsten sind am Joch befestigt und mit der Stromquelle verbundenen. (Die Bürsten drehen sich nicht mit!) Durch die Drehbewegung des Ankers wird so eine periodische Umschaltung des elektrischen Stromes durch die Ankerspule und damit des Magnetfeldes des Ankers erzielt. Dies ist in folgender Animation durch einen kleinen, imaginären Stabmagneten im Spuleninneren dargestellt. (Vergleiche auch die Animation auf der Startseite.)

Ankertypen

Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht, wie oben dargestellt, auf den Kräften, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben. (Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass sich diese Drehbewegung auch mit Hilfe der Lorentzkraft erklären lässt, siehe unten.) Logischerweise lassen sich diese Kräfte durch stärkere Magnetfelder vergrößern - Drehfrequenz und Leistungsvermögen des Motors können so gesteigert werden. Technisch erreicht man dies durch hohe Windungszahlen der Spulen und geschickte Formung der Eisenkerne. (Ein Eisenkern im Innern einer Spule verstärkt deren bei Stromfluss entstehendes Magnetfeld, da er durch das Magnetfeld der Spule selbst zum Magneten wird.) Die drehbar gelagerte Spule mit Eisenkern und Kommutator bezeichnet man als Anker oder Rotor.

Der einfachste Anker ist der Doppel-T-Anker ("T" aufgrund des Aussehens). Dieser Anker ist aber für täglich eingesetzte Motoren ungeeignet. Stehen sich nämlich die Pole des Ankers und die Pole des unbewegten Feldmagneten (sog. Stator) vor dem Start genau gegenüber, so läuft der Motor nicht an und muss angestoßen werden (siehe Video; starten mit Mausklick!)
«Hier download des Videos, falls nicht angezeigt.»

Video

Dieses Problem lässt sich durch die Verwendung eines Ankers mit mehr als zwei T-Stücken vermeiden. Zum Beispiel gibt es bei einem Dreifach-T-Anker immer höchsten eine Spule, auf die keine Kraft wirkt. Dadurch läuft der Motor von alleine an und muss deshalb nicht zusätzlich mechanisch angestoßen werden. (Auch dazu nebenstehend ein Video, ebenfalls mit Mausklick zu starten.)
«Hier download des Videos, falls nicht angezeigt.»

Video

Motortypen

Das Magnetfeld des Stators kann anstatt durch Dauermagnete auch durch Elektromagnete erzeugt werden (siehe Ankertypen). Dann ist eine Reihe unterschiedlicher Beschaltungen möglich.

Werden etwa Rotor und Stator von einer gemeinsamen Stromquelle mit Energie versorgt, so kann man unter anderem zwischen Hauptschluss- und Nebenschlussmotor (siehe Zeichnungen) unterscheiden: Beim Hauptschlussmotor sind Rotor und Stator in Reihe geschaltet, beim Nebenschlussmotor sind Rotor und Stator parallel geschaltet. Einen Nebenschlussmotor zeichnet eine fast gleich bleibende Drehzahl bei schwankender Belastung aus. Ein Hauptschlussmotor hat dagegen ein hohes Anzugsvermögen.
Im Gegensatz zu Motoren mit einem gleichbleibenden Stator-Magnetfeld können diese beiden Motoren mit Gleich- und mit Wechselstrom betrieben werden. Deshalb heißen sie auch Allstrommotoren. Der Wechselstrombetrieb ist möglich, da sich die Pole von Stator- und Ankermagnet dabei immer gleichzeitig vertauschen und dies somit keine Rolle spielt.

Elektromotor und Lorentzkraft

Wie bereits mehrfach erwähnt, lässt sich die Drehbewegung des Ankers auch mit Hilfe der Lorentzkraft erklären. Eine detaillierte (und lustige) Erläuterung dazu findet sich bei Johannes und Benjamin. (Der Einfachheit halber wählen sie eine Spule mit nur einer Windung.) Für das Verständnis hilfreich ist ferner dieses hervorragende Java-Applet von Walter Fendt.

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