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. 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

Elektromotoren erleichtern den Tagesablauf. Die selbstverständlichsten Dinge des täglichen Lebens wie das fließende Wasser, 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. Bohrmaschinen 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.

Grundprinzip / Funktionsweise (hier: eines Gleichstrommotors)

Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Kräften, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben. Der (feststehende) 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).

Außerdem gibt es einen beweglichen Rotor, der in den meisten Fällen aus einer Spule mit Eisenkern (dem sogenannten Anker), die drehbar im Magnetfeld zwischen den Polschuhen des Stators gelagert ist, besteht. Die Stromzuführung für den Anker erfolgt über Schleifringe oder einen segmentierten Kommutator und Schleifkontakten (Kohlebürsten). Schickt man durch den Rotor 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) und der Anker erfährt ein Drehmoment. Er dreht sich somit um seine Achse und kann so elektrische Arbeit in mechanische Arbeit umwandeln.

Beim Gleichstrommotor dreht sich der Anker zunächst so weit, bis der Rotor waagerecht zu den Magnetfeldlinien ausgerichtet ist. Wenn der Rotor waagerecht steht, fließt kein Storm mehr durch ihn ( das Magnetfeld verschwindet). Damit er an diesem "toten Punkt" nicht stehen bleibt, wird hier die Stromrichtung in der Ankerspule mit Hilfe des Kommutators oder Stromwenders umgekehrt. Er besteht aus zwei Halbkugeln, die in der Mitte durch einen schmalen Streifen nichtleitenden Materials (Kunststoff, Porzellan etc.) getrennt sind. An der dem Rotor abgewandten Oberfläche des Kommutators legen zwei Kohlebürsten 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° weiter. Der nichtleitende Streifen in der Mitte des Kommutators bewirkt nämlich, dass die Stromzufuhr kurzzeitig unterbrochen wird und im Rotor kein Magnetfeld erzeugt wird. Somit dreht sich der Rotor ohne Krafteinwirkung nur auf Grund seiner Trägheit weiter und überwindet so den toten Punkt, in dem er senkrecht zum Statorfeld ausgerichtet wäre und ohne erneuten Anschub sich nicht mehr bewegen würde.

Die genaue Funktionsweise hängt aber vom Motortyp ab. Gleichstrommotoren (wie oben beschrieben) funktionieren im Detail ein bisschen anders als Wechselstrommotoren.

Siehe dazu: