Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die mit Hilfe von magnetischen Feldern hauptsächlich elektrische in mechanische Arbeit (oder zurück) umwandelt, indem sie eine Kraft oder ein Moment und damit auch eine Bewegung erzeugen kann. Der Wirkungsgrad liegt bei 0.6 bis 0.98 (typisch unter 1kW 0.6 bis 0.9, darüber Annäherung an 1). Auf dem "Anker" ist eine Spule aufgewickelt, durch die Strom fließt. Durch das umgebende Magnetfeld entsteht eine Lorentzkraft, die den Anker, der mit der Achse fest verbunden ist rotieren lässt. Auf diese Weise kann elektrische Energie in Bewegungsenergie verwandelt werden.
Als Erfinder des Elektromotors gilt Johann Kravogl, wobei auch der Physiker Ányos Jedlik eine Urform des Elektromotors konstruierte. Der Erfinder des Wechselstrommotors heißt Nikola Tesla.
Zur Stromübertragung auf die beweglichen Spulen werden sog. Bürsten eingesetzt:
- Zur Übertragung auf den sog. Kollektor (bei Gleichstrom- Wechselstrom- und Allstrommotoren)
- Bei Drehstrommotoren übertragen die Bürsten Ströme auf Schleifringe.
Prinzipien
Es gibt eine große Vielzahl verschiedener Motorprinzipien. Die größte Anzahl hat nur noch historische Bedeutung. Heute ausgeführt werden im Prinzip noch die folgenden Varianten:
Im Rotor befindet sich der Anker, eine sog. Kommutatorwicklung. Im Stator befinden sich ausgeprägte Pole. Im Kleinmotorenbereich sind die Pole aus Permanentmagneten, bei größeren Motoren sind die Pole gewickelt und stromerregt. Durch die Drehung des Ankers durch das Feld der Pole wird eine Spannung induziert. Diese Spannung kann an den Bürsten abgenommen werden. Bei Belastung fließt in der Ankerwicklung ein Wechselstrom, der durch Kommutator und Bürsten nach außen hin als Gleichstrom abgenommen oder eingespeist werden kann.
Universalmotor
(Allstrommotor, Einphasen-Reihenschluss-Motor) Drehmomenterzeugung wie beim Gleichstromreihenschlussmotor, jedoch werden die Pole im Stator elektrisch in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet. Daher kann der Motor mit technischen Einbußen auch mit Wechselstrom betrieben werden.
Ein weiteres Merkmal ist das Vermögen, bei kleiner werdenen Drehzahlen ein immer größeres Drehmoment abzugeben.
Anwendung findet der Reihenschlussmotor vor allem in Küchenmaschinen, Staubsaugern, Handbohrmaschinen und als Anlassermotor von Verbrennungsmotoren.
Bürstenloser Motor
Der bürstenlose, oder elektronisch kommutierte, Motor ist Mischform von Synchronmotor und Gleichstrommotor, bei dem mit einer Steuerschaltung ein künstliches Drehstromnetz erzeugt, auf die Spulen im Stator gegeben und damit ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird. Der Rotor besteht in der Regel aus Permanentmagneten. Die Phasenlage zwischen Stator- und Rotorfeld erzeugt das Drehmoment. Der Motor wird auch als EC-Motor (electronically communtated) oder als BLDC-Motor bezeichnet (Brushless DC).
Das Drehfeld der Spulen im Stator induziert eine Spannung in der Rotorwicklung. Die Rotorwicklung kann als 3-strängige Drehstromwicklung (Schleifringläufer) oder als Käfigwicklung (Käfigläufer) ausgeführt sein. Durch den direkten Kurzschluss der Wicklung (Käfigläufer, Schleifringläufer) oder mittels eines Widerstandes (Schleifringläufer) entsteht der Strom, der das Drehmoment erzeugt. Wenn der Rotor synchron mit dem Drehfeld rotiert, kann keine Spannung induziert werden und daher auch kein Kurzschlussstrom fließen (Leerlauf). Daher ist bei Belastung immer ein Schlupf zwischen rotierendem Drehfeld und Rotor erforderlich - daher Asynchronmotor. Im technischen Sprachgebrauch und im Englischen wird der Motor aufgrund des Wirkungsprinzips (s.o.) häufig Induktionsmotor benannt. Asynchronmotore mit Käfigläufer sind relativ einfach aufgebaut, robust im Einsatz, wenig störanfällig und preiswert. Daher stellen sie bei Antrieben mit größeren Leistungen den Hauptteil der Bauformen.
Auf dem Rotor (Induktor, Polrad) ist eine Einrichtung vorhanden, die ein rotorfest stehendes Magnetfeld mit Nord- und Südpolen erzeugt. Im Kleinmotorenbereich regelmäßig in Form von Permanentmagneten, im Großmaschinenbereich traditionell als gewickelte Pole ausgeführt heute allerdings mehr und mehr ebenfalls als Permanentmagnete ausgeführt. Setzt man das Polrad in Rotation entsteht ein Drehfeld, das in der stillstehenden Statorwicklung (Anker) eine Spannung induziert. Die Frequenz dieser Spannung ist streng proportional zur Drehzahl und Anzahl von Polen auf dem Polrad. Schaltet man die Statorwicklung an eine Drehspannung gleicher Frequenz, Phasenlage und Amplitude passiert zunächst nichts, da die induzierte Spannung und die außen anliegende Spannung sich gegenseitig das Gleichgewicht halten. Die Maschine erzeugt das Drehmoment, wenn sich durch Belastung die Phasenlage der Spannungen gegenseitig verschiebt. Die Maschine kann jedoch nur bei synchronem Lauf ein Drehmoment erzeugen.
Der Drehstrom Nebenschlussmotor ist ein Drehstrom-Kollektormotor. Der Name Nebenschlussmotor ist auf sein Betriebsverhalten zurückzuführen, und hat nichts mit seiner Schaltung zu tun. Er wurde in den Zeiten, als drehzahlveränderliche Antriebe mit Elektronik noch sehr teuer waren, als drehzahlveränderlicher Antrieb eingesetzt.
Geschalteter Reluktanzmotor
(engl. Switched Reluctance Motor, SRM) Während die beiden eben beschriebenen Motorvarianten aufgrund der sog. Lorentz-Kraft ihr Drehmoment erzeugen (Kraft auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld) entwickelt der geschaltete Reluktanzmotor sein Moment aufgrund von magnetischen Grenzflächenkräften, die an Flächen entstehen, wo sich die magnetische Permeabiltität des Materials verändert. Der Motor besitzt einen Rotor aus weichmagnetischem Material (z. B. Stahl) mit ausgeprägten Polen, die jedoch nicht magnetisiert sind. Der Stator besteht aus einer von der Rotorpolzahl verschiedenen Anzahl von rotationssymmetrisch angeordneten Einzelpolen. Die Anzahl von Statorpolen ist im Regelfall schwach größer als die Anzahl von Rotorpolen. Durch eine elektronische Schaltung wird der Strom von Statorpol zu Statorpol zyklisch weitergeschaltet, dadurch werden die Rotorpole mitgenommen. Es entsteht ein Drehmoment.
Variante des geschalteten Reluktanzmotors (im elektromagnetischem Sinn) bei dem jedoch die Anzahl der Pole erheblich größer ist als beim SRM. Daher Ausführung in Klauenpolform mit zwei oder vier Ringspulen.
Bauarten
Außenläufer
Alle Motorprinzipien können sowohl als Innenläufer (Normalfall) oder Aussenläufer (Spezialfall) ausgeführt werden. Aussenläufer bedeutet dass sich das ganze Motorgehäuse mit der Welle mit dreht. Nur ein Lagerschild, an dem sich auch die Anschlüsse befinden ist statisch.
Bewegungsart
Motoren können auch nach Art der Bewegung unterschieden werden. Normalerweise drehen Motoren, sie können aber auch lineare translatorische Bewegungen ausführen, wie beim Linearmotor.
Siehe auch: Hybridmotor