Motorarten

Elektromotor bezeichnet einen elektromechanischen Wandler, der elektrische Energie in mechanische Energie wandelt. In Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die stromdurchflossenen Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum Generator. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch translatorische Bewegungen ausführen (Linearantrieb). Elektromotoren werden zum Antrieb verschiedener Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge (vor allem Schienenfahrzeuge) eingesetzt.

Diverse Elektromotoren

Geschichte

1819 entdeckte der dänische Physiker und Philosoph Hans Christian Ørsted (1777-1851) das Phänomen des Elektromagnetismus. Bereits im gleichen Jahr veröffentlichte Michael Faraday seine Arbeitsergebnisse über "elektromagnetische Rotation". Er konstruierte eine Vorrichtung, bei der ein elektrischer Leiter um einen festen Magneten rotierte und im Gegenexperiment ein beweglicher Magnet um einen festen Leiter. 1822 entwickelte Peter Barlow das nach ihm benannte Barlow-Rad. Der britische Wissenschaftler William Sturgeon erfand 1832 einen weiteren Motorvorläufer.^[1] Auf dem europäischen Kontinent wirkten Ányos Jedlik und Hermann Jacobi an der Weiterentwicklung des Gleichstrom-Elektromotors. So entwickelte Jacobi bereits 1834 den ersten praxistauglichen Elektromotor in Potsdam und stattete 1838 in Sankt Petersburg ein sechs Personen fassendes Boot mit dem von ihm entwickelten 220 Watt starken Motor aus^[2], was somit gleichzeitig auch die erste Anwendung eines Elektromotors in der Praxis darstellte. Auch der US-amerikanische Grobschmied Thomas Davenport in Vermont entwickelte einen Kommutatormotor. Auf sein Design wurde ihm am 25. Februar 1837 ein Patent erteilt.

Damit war um 1837/1838 die Grundlage für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und auch bis zur anwendungstauglichen Arbeitsmaschine entwickelt. Im Jahre 1861 erfand Ányos Jedlik die Dynamomaschine, welche aber erst von Werner von Siemens im Jahre 1866 patentiert wurde. Sie ermöglichte erstmals eine Erzeugung elektrischer Energie in größerem Umfang. Dies verhalf dem Elektromotor zum Durchbruch bei einer praxistauglichen breiten Anwendung.

Das „Barlow-Rad” (1822)

"Magnetelektrische Maschinen" I (E-Motore) um 1890

"Magnetelektrische Maschinen" II (E-Motore) um 1890

Grundprinzip/Funktionsweise

Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Kräften, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben.

Gleichstrommotor (Kommutatormotor)

→ Hauptartikel: Gleichstrommaschine

Läufer eines Kommutatormotors; Kohlebürsten und Stator sind entfernt

Der (feststehende) Stator ist bei einem Gleichstrommotor ein Dauermagnet mit Polschuhen. Bei einem Wechselstrommotor besteht der Stator hingegen aus einem Elektromagneten. Wird Strom durch diesen Elektromagneten geleitet, entsteht ein Magnetfeld im Stator (Ørsted-Prinzip).

Im Inneren des Stators ist ein Rotor, der in den meisten Fällen aus einer Spule mit Eisenkern (dem sogenannten Anker) besteht, der drehbar im Magnetfeld zwischen den Polschuhen des Stators gelagert ist.

Die Stromzuführung für den Anker erfolgt über einen segmentierten Kommutator und Schleifkontakte (Kohlebürsten). Schickt man durch den Rotor Strom, entsteht auch hier ein Magnetfeld, das jetzt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators tritt. Er dreht sich somit um seine Achse und schaltet über den sich mitdrehenden Kommutator immer die passenden Wicklungen in den Stromweg und kann so elektrische Arbeit in mechanische Arbeit umwandeln.

Hätte ein solcher Motor keinen Kommutator, würde sich der Anker so weit drehen, bis das Rotormagnetfeld zum Statorfeld gleichgerichtet ist. Damit er an diesem „toten Punkt“ nicht stehen bleibt, wird der Strom in den Ankerspulen mit Hilfe des Kommutators (auch Stromwender oder Kollektor genannt) bei jedem neuen Segment umgeschaltet. Der Kommutator besteht aus Metallsegmenten, die eine durch schmale Streifen nichtleitenden Materials (Kunststoff, Luft) unterbrochene Zylinder- oder Kreisfläche bilden. An den Segmenten sind die Ankerwicklungen angeschlossen. Am Kommutator liegen, durch Federn angedrückt, meist zwei Kohlebürsten an, die den Strom zuführen. Mit jeder Drehung des Rotors wird die Stromrichtung durch die Ankerwicklungen geändert und es gelangen diejenigen Leiter in das Magnetfeld des Stators, deren Stromfluss so gerichtet ist, dass ein Drehmoment erzeugt wird.

Das Magnetfeld im Rotor steht - relativ zum Stator - fest, der Eisenkern des sich drehenden Ankers muss daher zur Vermeidung von Wirbelströmen aus einem Blechstapel bestehen.

Nach diesem Prinzip können auch Wechselstrommotoren gebaut werden, wenn das Erregerfeld mit dem Wechselstrom ebenfalls seine Polung ändert (Universalmotor). Dann muss auch der Stator aus einem Blechpaket bestehen.

Wechsel- und Drehstrommotoren

Bei Wechselstrom kann auch auf einen Kommutator verzichtet werden, wenn die Umdrehungszahl im Rhythmus des Wechselstromes erfolgt; das dann mit umlaufende Magnetfeld des Rotors wird dann:

• durch vom Erregerfeld induzierte Ströme in einer Kurzschlusswicklung (Asynchronmotor)
• durch Magnetisierung eines Eisenkernes mit Polen (Reluktanzmotor, Schrittmotor)
• durch Dauermagnete (Schrittmotor, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, Synchronmotor)
• durch einen elektrisch erregten Läufer (siehe Synchronmaschine)

erzeugt.

Solche Motoren besitzen daher kein oder ein geringes Anlaufmoment; sie benötigen eine Anlaufhilfe, können jedoch mit Wechselstrom mit mehr als nur einer Phase auch selbst starten:

• Drehstrommotoren werden mit Drehstrom betrieben, der aus drei um 120° phasenverschobenen Wechselspannungen besteht und so ein Drehfeld erzeugt
• Kondensator- und Spaltpolmotoren erzeugen sich aus einem einphasigen Wechselstrom selbst eine Hilfsphase (ein Drehfeld) zum Anlauf.
• Schritt- und Reluktanzmotoren werden mit frequenzveränderlichem Wechselstrom und/oder mit mehreren Phasen betrieben, damit sie „im Tritt“ bleiben bzw. keine Schrittverluste auftreten.
• Synchronmotoren benötigen eine Starthilfe oder schaukeln/schwingen sich von selbst „in Tritt“.

Motorarten

Drehfeld- und Wanderfeld-Maschinen

• Drehstrommotor
  • Drehstrom-Asynchronmaschine
  • Drehstrom-Synchronmaschine
  • Kaskadenmaschine
• Linearmotor
• Wechselstrommotoren:
  • Kondensatormotor
  • Spaltpolmotor
  • Synchronmotor/Einphasenasynchronmotor
  • Reluktanzmotor
• Schrittmotor

Stromwender- bzw. Kommutator-Maschine

• Gleichstrommotor
• Universalmotor (für Gleich- und Wechselstrom)
• Repulsionsmotor
  • permanent erregter Gleichstrommotor
  • elektrisch erregter (fremderregter) Gleichstrommotor
    • Reihenschlussmotor
    • Nebenschlussmotor
    • Verbundmotor
  • elektronisch kommutierter Gleichstrommotor

Praktische Anwendungen

Die Artikel Elektromotor #Praktische Anwendungen und Elektroantrieb überschneiden sich thematisch. Hilf mit, die Artikel besser voneinander abzugrenzen oder zu vereinigen. Beteilige dich dazu an der Diskussion über diese Überschneidungen. Bitte entferne diesen Baustein erst nach vollständiger Abarbeitung der Redundanz. LogoX 12:28, 3. Mär. 2009 (CET)

Elektromotoren bewirkten ab Ende des 19. Jahrhunderts wesentlich die Industrialisierung und Mechanisierung. Sie lösten den Zentralantrieb von Maschinen durch eine Dampfmaschine oder eine Wasserkraft durch den Einzelantrieb (Motoren an jeder Maschine) ab.

Erste mobile Anwendungen waren Elektrolokomotiven und elektrische Bahnen, später Elektrokarren und Gabelstapler. Entwicklungen in der Leistungselektronik brachten einen weiteren Anwendungsschub - nun konnten die wartungsfreien, preiswerten Asynchronmotoren auch für drehzahlvariable Antriebe eingesetzt werden.

Heute werden Elektromotoren in großer Zahl in Maschinen, Automaten, Robotern, Spielzeug, Haushaltsgeräten, Elektronikgeräten (z. B. Videorecorder, Festplatten, CD-Spieler), in Ventilatoren, Rasenmähern, Kränen usw. eingesetzt. Die große Bedeutung des Elektromotors für die heutige moderne Industriegesellschaft spiegelt sich auch im Energieverbrauch wider: Elektromotoren haben einen Anteil von über 50 Prozent am Stromverbrauch in Deutschland.^[3]

Elektromotoren in mobilen Anwendungen

Elektromotoren werden in Kraftfahrzeugen und Bahnen seit langem angewendet. Gründe hierfür sind:

• hoher Wirkungsgrad (insbesondere auch bei Teillastbetrieb, wichtig bei Batteriebetrieb),
• maximales Drehmoment liegt bereits bei niedrigen Drehzahlen an und nimmt mit höheren Drehzahlen ab,
• keine Emissionen (Einsatz in Werkhallen (z. B. Gabelstapler), Einsatz in Ballungsräumen (z. B. Straßenbahn), Klimaschutz insbesondere dann, wenn die Elektroenergie nachhaltig erzeugt wird),
• geringere Betriebskosten (sehr lange Motor-Lebensdauer, geringere Wartung, geringere Energiekosten),
• einfacher Aufbau und hoher Fahrkomfort (keine Kupplung, kein Schaltgetriebe, z. B. auch wichtig bei Versehrtenfahrzeugen).

Trotz dieser Vorteile wird der Elektromotor bisher wenig in PKW und LKW eingesetzt. Grund ist insbesondere die begrenzte maximale Reichweite bzw. die hohe Masse der Energiespeicher (Akkumulatoren).

Mit einem Elektromotor aus einem Akkumulator werden auch manche Modellflugzeuge (Elektroflug), kleine Schiffe, Torpedos und U-Boote angetrieben. Die Elektromotoren anderer U-Boote werden aus Brennstoffzellen oder aus einem mitgeführten kleinen Kernkraftwerk gespeist.

Fahrzeugantriebs-Konzepte mit Elektromotoren, jedoch ohne oder nur teilweiser Energiespeicherung in einem Akkumulator, sind:

• Brennstoffzellen-Antrieb: Ein Projekt ist z. B. HyFLEET:CUTE, die Weiterführung des Projektes CUTE. Probleme bestehen in der Lebensdauer und den Kosten der Brennstoffzellen.
• Hybridantrieb (z. B. Toyota Prius): Ein Ottomotor wird mit einem Elektromotor/Generator kombiniert und mit Akkumulatoren gepuffert (Vorteile im Teillastbereich/Stadtbetrieb, hoher Fahrkomfort, Nutzbremsung, Pufferung auch mit Doppelschichtkondensatoren).
• Gyroantrieb: Als Energiespeicher dient ein Schwungrad mit einem Generator, der die Fahrmotoren antreibt (wird u. a. bei Gyrobussen angewendet, geringe Reichweite, Nutzbremsung möglich).

Bei elektrischen Bahnen und Oberleitungsbussen wird die Elektroenergie mit Oberleitungen oder Stromschienen zugeführt. Auch hier kann Nutzbremsung stattfinden, wenn das speisende Netz dafür ausgelegt ist oder Akkumulatoren installiert werden. Auch Doppelschichtkondensatoren werden hierbei angewendet.

Eine weitere mobile Anwendung ist der dieselelektrische Antrieb; hier erzeugt ein Dieselaggregat elektrischen Strom, der die Fahrmotoren antreibt. Nutzbremsung ist nicht möglich, wenn nicht zusätzlich Akkumulatoren mitgeführt werden. Dieselelektrische Antriebe finden sich in Schiffen, Lokomotiven und U-Booten (hier ergänzt durch einen Akkumulator).

Literatur

• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3

Einzelnachweise

1. ↑ Deutsche Gesellschaft für Post- und Telekommunikationsgeschichte e.V. - William Sturgeon
2. ↑ Geschichte Elektromotor
3. ↑ VDE-Studie Effizienz- und Einsparpotentiale elektrischer Energie

Siehe auch

• Ankerkurzschlussbremsung
• Phonisches Rad
• Schleifringläufermotor
• Stromverdrängungsläufer

Weblinks