Wie Funktioniert Ein Elektromotor Einfach Erklärt

Elektromotoren sind allgegenwärtig. Sie treiben Autos, Züge, Haushaltsgeräte und unzählige andere Geräte an. Aber wie funktionieren sie eigentlich? Dieser Artikel erklärt die Grundlagen der Funktionsweise von Elektromotoren auf einfache und verständliche Weise.

Die Grundlagen: Magnetismus und Elektromagnetismus

Um die Funktionsweise eines Elektromotors zu verstehen, müssen wir uns zunächst mit den Grundlagen von Magnetismus und Elektromagnetismus beschäftigen.

Magnetismus

Ein Magnet hat zwei Pole: einen Nordpol und einen Südpol. Gleichnamige Pole (Nord-Nord oder Süd-Süd) stoßen sich ab, während ungleichnamige Pole (Nord-Süd) sich anziehen. Magnetische Felder existieren um jeden Magneten herum und üben eine Kraft auf andere magnetische Materialien aus.

Elektromagnetismus

Elektromagnetismus beschreibt die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus. Ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, erzeugt ein Magnetfeld um den Draht. Die Stärke des Magnetfelds hängt von der Stärke des Stroms ab. Wickelt man den Draht zu einer Spule, verstärkt sich das Magnetfeld. Diese Spule wird zu einem Elektromagneten.

Elektromagnete haben einen entscheidenden Vorteil gegenüber Permanentmagneten: Ihre Stärke kann durch die Steuerung des Stromflusses reguliert werden. Sie können ein- und ausgeschaltet werden, und ihre Polarität (Nord- und Südpol) kann umgekehrt werden, indem die Richtung des Stromflusses geändert wird.

Die Hauptbestandteile eines Elektromotors

Ein typischer Elektromotor besteht aus folgenden Hauptbestandteilen:

• Stator: Der stationäre Teil des Motors. Er enthält in der Regel Spulen, die ein Magnetfeld erzeugen.
• Rotor (Anker): Der drehbare Teil des Motors. Er enthält ebenfalls Spulen oder Permanentmagneten, die mit dem Magnetfeld des Stators interagieren und so die Drehung erzeugen.
• Kommutator (bei Gleichstrommotoren): Ein mechanischer Schalter, der die Stromrichtung in den Rotor-Spulen ändert.
• Bürsten (bei Gleichstrommotoren): Leiten den Strom vom äußeren Stromkreis zum Kommutator.
• Gehäuse: Schützt die internen Komponenten des Motors.
• Lager: Ermöglichen eine reibungslose Drehung des Rotors.

So Funktioniert Ein Elektromotor: Schritt für Schritt

Die Funktionsweise eines Elektromotors basiert auf der Interaktion von Magnetfeldern. Hier eine vereinfachte Erklärung:

1. Stromfluss erzeugt Magnetfelder: Wenn Strom durch die Spulen im Stator fließt, entstehen starke Magnetfelder. Gleichzeitig fließt Strom durch die Spulen im Rotor (oder der Rotor enthält Permanentmagnete mit einem eigenen Magnetfeld).
2. Anziehung und Abstoßung: Die Magnetfelder des Stators und des Rotors interagieren miteinander. Ungleichnamige Pole ziehen sich an, während gleichnamige Pole sich abstoßen. Diese Anziehungs- und Abstoßungskräfte erzeugen ein Drehmoment, das den Rotor in Bewegung setzt.
3. Drehung durch Umpolung: Damit der Rotor sich kontinuierlich drehen kann, muss die Polarität der Magnetfelder im Rotor (relativ zum Stator) ständig geändert werden. Bei Gleichstrommotoren übernimmt diese Aufgabe der Kommutator. Er ändert die Stromrichtung in den Rotor-Spulen, sobald sich der Rotor in einer bestimmten Position befindet. Dies führt dazu, dass sich die Magnetfelder abstoßen und der Rotor sich weiterdreht.
4. Kontinuierliche Drehung: Dieser Prozess der Anziehung, Abstoßung und Umpolung wiederholt sich kontinuierlich, wodurch der Rotor sich dreht.

Beispiel: Ein einfacher Gleichstrommotor

Stellen Sie sich einen einfachen Gleichstrommotor mit einem Stator, der aus zwei Permanentmagneten besteht (einer mit Nordpol oben, einer mit Südpol oben). Der Rotor besteht aus einer einzigen Spule, die zwischen den Magneten rotiert. Ein Kommutator und Bürsten sorgen dafür, dass der Strom in der Spule in genau dem richtigen Moment umgepolt wird.

Wenn Strom durch die Spule fließt, erzeugt sie ein eigenes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld interagiert mit den Magnetfeldern der Permanentmagneten. Die Spule wird sich so ausrichten, dass ihr Nordpol zum Südpol des Permanentmagneten und ihr Südpol zum Nordpol des Permanentmagneten zeigt. Aber in dem Moment, in dem sie diese Ausrichtung erreicht hat, ändert der Kommutator die Stromrichtung in der Spule. Dadurch kehrt sich die Polarität der Spule um. Plötzlich stoßen sich die Magnetfelder ab, und die Spule wird weitergedreht. Dieser Prozess setzt sich fort, wodurch die Spule sich kontinuierlich dreht.

Unterschiede zwischen Gleichstrom- und Wechselstrommotoren

Es gibt zwei Haupttypen von Elektromotoren: Gleichstrommotoren (DC-Motoren) und Wechselstrommotoren (AC-Motoren).

Gleichstrommotoren (DC-Motoren)

Wie bereits beschrieben, verwenden DC-Motoren Gleichstrom. Sie sind oft einfacher aufgebaut als AC-Motoren, insbesondere die gebürsteten Varianten. Sie sind jedoch auf einen Kommutator angewiesen, der mechanisch verschleißanfällig ist. Gebürstete DC-Motoren sind daher weniger wartungsarm als bürstenlose DC-Motoren (BLDC-Motoren).

Anwendungen: Spielzeug, kleine Haushaltsgeräte, einige Elektrowerkzeuge.

Wechselstrommotoren (AC-Motoren)

AC-Motoren verwenden Wechselstrom. Es gibt verschiedene Arten von AC-Motoren, darunter:

• Synchronmotoren: Der Rotor dreht sich synchron mit der Frequenz des Wechselstroms. Sie sind sehr effizient, aber ihre Drehzahl ist fest vorgegeben (oder nur in diskreten Schritten änderbar).
• Asynchronmotoren (Induktionsmotoren): Der Rotor dreht sich *nicht* synchron mit der Frequenz des Wechselstroms. Sie sind robuster und wartungsärmer als Synchronmotoren und werden sehr häufig eingesetzt. Die Drehzahl kann durch Veränderung der Frequenz des Wechselstroms gesteuert werden.

AC-Motoren benötigen keinen Kommutator (zumindest die typischen Bauarten). Die Umpolung des Magnetfelds erfolgt durch den Wechselstrom selbst. Das macht sie robuster und wartungsärmer als viele DC-Motoren. Allerdings benötigen sie oft komplexere elektronische Steuerungen, um ihre Drehzahl zu regulieren.

Anwendungen: Industrielle Anwendungen, Haushaltsgeräte (Waschmaschinen, Kühlschränke), Elektrowerkzeuge.

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC)

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) kombinieren die Vorteile von DC- und AC-Motoren. Sie verwenden Gleichstrom, *aber* sie haben keinen mechanischen Kommutator. Stattdessen wird die Stromrichtung in den Rotor-Spulen elektronisch gesteuert. Dies macht sie sehr effizient, wartungsarm und langlebig.

Anwendungen: Elektrofahrzeuge, Drohnen, hochwertige Elektrowerkzeuge, Festplattenlaufwerke.

Zusammenfassung

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Sie funktionieren durch die Interaktion von Magnetfeldern, die durch Stromfluss erzeugt werden. Die Anziehung und Abstoßung dieser Magnetfelder erzeugen ein Drehmoment, das einen Rotor in Bewegung setzt. Die unterschiedlichen Typen von Elektromotoren – DC, AC und BLDC – nutzen diese grundlegenden Prinzipien auf unterschiedliche Weise, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen.

Das Verständnis der grundlegenden Funktionsweise von Elektromotoren hilft, die Technologie zu schätzen, die unser modernes Leben antreibt.