Elektromotor
Elektromotor (aus dem Lateinischen motus = Bewegung) bezeichnet eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Dies passiert rein elektrisch mit Hilfe von magnetischen Feldern. In Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die 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!
Geschichte
1820 entdeckte der dänische Chemiker Hans Christian Ørsted 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 en:Barlow's Wheel. Der US-amerikanische Grobschmied Thomas Davenport entwickelte 1834 in Vermont einen Kommutatormotor und erhielt am 25. Februar 1837 das weltweit erste Patent auf den Elektromotor. Auf dem europäischen Kontinent wirkten Ányos Jedlik und Hermann Jacobi (1801 – 1874) in ähnlicher Weise wie Davenport an der Entwicklung des praxistauglichen Elektromotors. Jacobi stattete zudem in Sankt Petersburg 1838 ein sechs Personen fassendes Boot mit einem von ihm entwickelten 220 Watt starken Motor aus [1].
Damit war um 1837 / 1838 die Grundlage für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und auch bis zur anwendungstauglichen Arbeitsmaschine entwickelt. Im Jahre 1866 erfand schließlich Werner von Siemens die Dynamomaschine, die erstmals eine Erzeugung elektrischer Energie in größerem Umfang ermöglichte. Dies verhalf dem Elektromotor zum Durchbruch der breiten praxistauglichen Anwendung.
Bedeutung
Heutzutage nimmt man Elektromotoren im Alltag meist nicht mehr bewusst wahr und die wenigsten wissen, wie diese aufgebaut sind und wie sie funktionieren, obwohl das Thema im Physik-Unterricht in der Schule behandelt wird.
Elektromotoren erleichtern den Tagesablauf. Die selbstverständlichsten Dinge des täglichen Lebens wie das fließende Wasser, das Zubereiten von Speisen (z. B. auf dem Drehteller der Mikrowelle), das Abspielen eines Tonträgers (z. B. in einem CD-Spieler), das Reinigen und Trocknen der Wäsche, das Befördern von Personen und Lasten in mehrgeschossigen Gebäuden durch Aufzüge oder die Belüftung unterschiedlichster Geräte und Gebäude sind ohne Elektromotoren nicht denkbar. Selbst das Anlassen eines Kraftfahrzeugs und das Betätigen des Scheibenwischers müssten per Hand erfolgen, wenn es den Elektromotor nicht gäbe; viele Werkzeuge, z. B. Bohrer müsste man durch Muskelkraft betreiben. Sämtliche Bereiche der Wirtschaft, einschließlich des Haushalts, wären in der uns bekannten Art und Weise ohne den vielfältigen Einsatz von Elektromotoren unterschiedlichster Größe nicht denkbar.
Der Mensch hat die Wichtigkeit und Unerlässlichkeit von Antriebsmaschinen erkannt, diese stets weiterentwickelt und verbessert und es verstanden sich Motoren zunutze zu machen.
Grundprinzip / Funktionsweise
Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Kräften, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben. Der Stator ist ein Eisenkern, der von Draht mehrmals umwickelt ist. Über die Anschlussklemmen wird Strom durch den Draht geleitet und es entsteht ein Magnetfeld rund um den Stator (Ørsted-Prinzip).
Der Rotor ist ebenfalls ein mit Draht umwickelter Eisenkern, der drehbar auf einer Achse in der Mitte gelagert ist. Schickt man nun durch ihn nun ebenfalls Strom, entsteht nach dem selben Prinzip auch hier ein Magnetfeld, das jetzt in Wechselwirkung mit dem des Stators tritt. Da das Stator- und das Rotormagnetfeld eine Polung + und – besitzen, richten sie sich gemäß dem Prinzip "gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an" aus (-> Lorentzkraft). Der Rotor dreht sich um die Achse und kann so elektrische Arbeit in mechanische Arbeit umwandeln.
Da aber nun die Bewegung zum Stillstand kommen würden, muss man die Polung des Rotors ändern. Dazu kommt der sogenannte Kommutator oder Stromwender zum Einsatz. Er besteht aus 2 Halbkugeln, die in der Mitte durch einen schmalen Streifen nichtleitenden Metalls getrennt sind. An der dem Rotor abgewandten Oberfläche des Kommutators greifen 2 Kohle-Bürsten die Spannung an je einer Halbkugel an und polen diese gemäß ihrer eigenen Polung um. So wird mit jeder Halbdrehung des Rotors die Stromrichtung durch den Rotordraht geändert und die Magnetfeldorientierung des Rotors dreht sich um. Somit wirkt auf den Rotor erneut eine Lorentzkraft und er dreht sich um 180°. Der nichtleitende Streifen in der Mitte des Kommutators bewirkt, dass die Stromzufuhr kurzzeitig unterbrochen wird und im Rotor kein Magnetfeld erzeugt wird, das dem des Stators entgegenwirken könnte. Somit dreht sich der Rotor ohne Krafteinwirkung nur auf Grund seiner Trägheit weiter und überwindet so den toten Punkt, in dem er vollständig parallel zum Statorfeld ausgerichtet wäre und ohne erneuten Anschub sich nicht mehr bewegen würde. Der Motor würde ausgehen. Nach Durchschreiten des toten Punktes wird erneut die Lorentzkraft aufgebaut und dreht den Rotor wieder um eine halbe Umdrehung. Somit wird eine gleichmäßige Bewegung des Rotors erreicht und der Elektromotor kann laufend elektrische in mechanische Arbeit umwandeln.
Motorarten
- Drehfeld- und Wanderfeldmaschinen
- Stromwendermaschinen bzw. Kommutatormotoren
- Gleichstrommotor
- Wechselstrommotor
- Universalmotor
- Kondensatormotor / Einphasenasynchronmotor
- Spaltpolmotor
- Synchronmotor
- Reluktanzmotor
