AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES ELEKTROMOTORS ERKLÄRT
So bringt der Elektromotor die Dinge in Bewegung
Der Elektromotor ist eine der beeindruckendsten technischen Erfindungen der Menschheit, welche bis ins frühe 19. Jahrhundert zurückzuführen ist. Seine grundlegende Funktion besteht darin, elektrische Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln. Eine Erfindung, die nicht mehr aus unserem Leben hinwegzudenken ist.
Zahllose Maschinen, Geräte und Fahrzeuge werden von Elektromotoren angetrieben – vom Mixer in der Küche bis hin zum Elektroauto auf der Straße. Doch wie schafft es der Elektromotor, physikalische Kräfte in eine präzise Drehbewegung zu verwandeln? Was genau passiert im Inneren zwischen Strom, Magnetismus und Bewegung? Und welche Rolle spielen dabei „Rotor“ und „Stator“? In diesem Ratgeber gehen wir diesen und weiteren Fragen auf den Grund.
Die Bestandteile eines Elektromotors
Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegung im Elektromotor spielen mehrere Hauptkomponenten eine entscheidende Rolle.
Der Stator:
Der Stator ist der unbewegliche Teil des Motors und enthält entweder Permanentmagnete oder Elektromagnete. Er erzeugt das Magnetfeld, das den Rotor antreibt.
Der Rotor:
Der Rotor ist der bewegliche Teil, der sich innerhalb des Stators dreht. Durch das Magnetfeld (Stator) wird im Rotor eine Kraft erzeugt, die ihn in Bewegung versetzt.
Je nach Motorbauart kommen zusätzlich Schleifringe oder ein Kollektor zum Einsatz. Schleifringe werden in Wechselstrommotoren genutzt, um Strom zum Rotor zu leiten, wobei die elektrischen Verbindungen konstant bleiben, während sich der Rotor dreht. Der Kollektor hingegen findet sich in Gleichstrommotoren. Er besteht aus segmentierten Kupferlamellen und sorgt dafür, dass der Stromfluss zur Rotorwicklung immer in der korrekten Richtung bleibt, um eine kontinuierliche Drehbewegung zu ermöglichen.
Diese Komponenten arbeiten präzise zusammen, um aus elektrischer Energie eine gleichmäßige Drehbewegung zu erzeugen – die Grundlage vieler Maschinen und Antriebe.
Wie funktioniert ein Elektromotor? Das Zusammenspiel von Strom und Magnetismus erklärt
Ein Elektromotor funktioniert nach einem einfachen und grundlegenden physikalischen Prinzip: Elektrischer Strom erzeugt Magnetismus.
Die zentrale Komponente ist eine Spule, durch die Strom fließt. Sie befindet sich in einem festen Magnetfeld, das entweder durch Permanentmagnete oder Elektromagnete erzeugt wird. Sobald Strom durch die Spule geleitet wird, entsteht um sie herum ein eigenes Magnetfeld. Da sich dessen Pole je nach Stromrichtung ändern, tritt eine Wechselwirkung mit dem Stator auf: Gleiche Magnetpole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Diese Kräfte setzen den Rotor in Bewegung und erzeugen eine Drehbewegung.
Trotz unterschiedlicher Bauweisen basiert jeder Elektromotor auf genau diesen einfachen Grundprinzipien: Elektrischer Strom erzeugt Magnetismus und die Wechselwirkung der Magnetpole sorgt für die Bewegung.
Arten von Elektromotoren und ihre Vorteile
Elektromotoren gibt es in vielen Varianten, die je nach Einsatzgebiet unterschiedlich optimiert sind. Grundsätzlich lassen sie sich in Gleichstrom- und Wechselstrommotoren unterteilen, wobei jede Betriebsart ihre eigenen Stärken hat. Im Folgenden gehen wir näher auf die beiden Betriebsarten ein:
Gleichstrommotoren:
Gleichstrommotoren (DC-Motoren) bestehen typischerweise aus einem Stator mit Permanentmagneten oder elektromagnetischen Spulen und einem Rotor mit einer Ankerwicklung. Der Strom wird über Bürsten und einen Kommutator in den Rotor geleitet, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Dieses Magnetfeld interagiert mit dem des Stators und erzeugt eine Drehbewegung.
Ein großer Vorteil von Gleichstrommotoren ist ihre einfache Steuerbarkeit. Die Drehzahl kann direkt über die angelegte Spannung reguliert werden, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine präzise Kontrolle der Geschwindigkeit oder ein sanftes Anlaufverhalten erfordern. Deshalb finden sie sich oft in Elektroautos, Robotern oder Modellbauanwendungen. Überall dort, wo eine Batterie oder ein Akkumulator als Energiequelle dient, sind Gleichstrommotoren die bevorzugte Wahl, da sie ohne Umwandlung der Spannung betrieben werden können.
Wechselstrommotoren
Wechselstrommotoren (AC-Motoren) arbeiten mit einem sich verändernden Magnetfeld, das durch die anliegende Netzspannung erzeugt wird. Sie bestehen aus einem feststehenden Stator mit Spulen, die das Magnetfeld erzeugen, und einem Rotor, der sich durch die Wechselwirkung mit diesem Feld in Bewegung setzt. Je nach Konstruktionsweise unterscheidet man zwischen Asynchronmotoren (Induktionsmotoren) und Synchronmotoren.
- Asynchronmotoren sind besonders wartungsarm und weit verbreitet. Ihr Rotor dreht sich minimal langsamer als das Magnetfeld des Stators – ein Effekt, der als Schlupf bezeichnet wird. Diese kleine Geschwindigkeitsdifferenz ist für viele Anwendungen unproblematisch, weshalb diese Motoren in Förderbändern, Lüftern oder Pumpen häufig zum Einsatz kommen. Überall dort, wo eine konstante Netzstromversorgung verfügbar ist und Wartungsarmut gefragt ist, sind Asynchronmotoren eine gute Wahl.
- Synchronmotoren hingegen laufen exakt mit der Geschwindigkeit des Magnetfelds und ermöglichen eine besonders präzise Steuerung. Sie werden in Anwendungen genutzt, bei denen exakte Drehzahlen erforderlich sind, etwa in Uhren, Präzisionsmaschinen oder modernen Elektrofahrzeugen. In Bereichen, wo hohe Effizienz und exakte Drehzahlsteuerung entscheidend sind, sind Synchronmotoren die bessere Wahl.
Wie wird ein Elektromotor dauerhaft betrieben? Der kontinuierliche Bewegungsprozess erklärt
Damit sich der Rotor nicht nur kurz bewegt, sondern eine gleichmäßige Drehung entsteht, muss die Richtung des Stroms in der Spule regelmäßig umgekehrt werden. Ohne diesen Wechsel würde der Rotor nach einer halben Umdrehung in einer Position verharren, in der sich die Magnetfelder nicht mehr abstoßen oder anziehen.
Bei Gleichstrommotoren:
Bei Gleichstrommotoren übernimmt ein sogenannter Kommutator diese Aufgabe. Er besteht aus mehreren leitenden Kupfersegmenten, die mit den Wicklungen des Rotors verbunden sind. Während der Rotor rotiert, stehen diese Segmente über Kohlebürsten in Kontakt mit der Stromquelle. Durch die Bewegung des Rotors gleiten die Bürsten über die Segmente, was den Stromfluss genau im richtigen Moment umkehrt. Dadurch bleibt das Magnetfeld des Rotors stets so ausgerichtet, dass die Anziehungs- und Abstoßungskräfte den Motor in Bewegung halten.
Moderne Motoren wie bürstenlose Gleichstrommotoren kommen ohne mechanische Kommutatoren aus. Stattdessen übernehmen elektronische Steuerungen die Aufgabe der Stromrichtungsänderung. Sensoren erkennen die Position des Rotors und eine Schaltung regelt den Stromfluss so, dass die Bewegung ohne mechanischen Verschleiß fortgesetzt wird. Diese Technik macht bürstenlose Motoren langlebiger, leiser und effizienter als ihre klassischen Gegenstücke.
Bei Wechselstrommotoren:
Bei Wechselstrommotoren übernimmt der ständig wechselnde Stromfluss die Aufgabe der Richtungsumkehr. Da die Spannung bei Wechselstrom periodisch ihre Polarität ändert, kehrt sich auch die Richtung des Magnetfeldes in den Statorwicklungen um. Dieses sich ständig ändernde Magnetfeld setzt den Rotor in Bewegung und hält ihn dauerhaft in Rotation. Da kein mechanischer Kommutator erforderlich ist, sind Wechselstrommotoren besonders wartungsarm und robust, was sie in vielen industriellen Anwendungen zur bevorzugten Wahl macht.
Anwendungsmöglichkeiten von Elektromotoren in der heutigen Zeit
Elektromotoren sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie stecken in Haushaltsgeräten, Industrieanlagen, Fahrzeugen und sogar in medizinischen Geräten. Überall dort, wo Bewegung benötigt wird, sorgen sie für Antrieb – effizient, leise und zuverlässig. In der Industrie treiben sie Maschinen, Förderbänder und Pumpen an. Besonders in der Automatisierungstechnik spielen sie eine zentrale Rolle, etwa in Robotern und Produktionsanlagen. Moderne Elektromotoren arbeiten heute oft mit intelligenten Steuerungen, die den Energieverbrauch senken und die Effizienz maximieren.
Motoren in Elektrofahrzeugen
Ein riesiges Wachstumsfeld ist die Elektromobilität. Ob Elektroauto, E-Bike oder Elektrobus – Elektromotoren ersetzen zunehmend die Verbrennungsmotoren. Sie bieten sofortiges Drehmoment, sind nahezu wartungsfrei und produzieren keine direkten Emissionen. Besonders permanentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM) sind hier weit verbreitet, da sie hohe Leistung mit hoher Effizienz kombinieren.
Auch bei erneuerbaren Energien sind Elektromotoren essenziell. Sie steuern die Rotorblätter von Windkraftanlagen, pumpen Wasser in Solarkraftwerken und sorgen für eine effiziente Energieumwandlung.
Durch die stetige Weiterentwicklung werden Elektromotoren immer leistungsfähiger, effizienter und nachhaltiger. Das macht sie zu einem der Schlüsseltechnologien der modernen Welt.