Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie
Elektromotoren wandeln elektrische in mechanische Energie um. Elektromotoren sind somit das Gegenstück zu Generatoren, die mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandeln. Es gibt viele verschiedenen Arten und Bauformen von Elektromotor. Allerdings basieren Elektromotoren grundlegend alle auf einem ähnlichen Prinzip, das am Beispiel eines einfachen Elektromotors mit Permanentmagneten verdeutlicht wird.
Wichtige Bestandteile eines Elektromotors
Ein Elektromotor (Abb. 1) besteht im Kern meist aus einem drehbarem Elektromagneten, der als Rotor oder Anker bezeichnet wird. Der Rotor ist über sogenannte Bürsten bzw. Schleifkontakte mit der elektrischen Quelle verbunden ist. Die Quelle sorgt für einen Stromfluss durch den Rotor.
Weiter befindet sich der Rotor in einem äußeren Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wird im einfachsten Fall von einem bzw. zwei Dauermagneten, den sogenannten Statoren, verursacht. Beim Realaufbau des Elektromotors in Abb. 1 bildet der blaue Polschuhe oben den Südpol und der Polschuh unten den Nordpol.
Fließt Strom durch den Rotor, so wird der Rotor zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol. Die auftretenden magnetischen Kräfte können für eine Drehung des Rotors sorgen.
Rotor im Detail
Der Rotor eines Elektromotors besteht aus einer drehbar gelagerten Spule mit Eisenkern. Die Animation in Abb. 2 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise des Rotors. Um die Orientierung des Magnetfeldes zu ermitteln, nutzt du die Rechte-Faust-Regel:
- Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung, also von + nach - (oranger Pfeil).
- Feldlinien des Magneten zeigen dann in Richtung der Finger (blaue Pfeile).
Die Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten aus dem Nordpol heraus und in den Südpol hinein. Im Inneren des Magneten verlaufen die Feldlinien vom Südpol zum Nordpol.
Bewegung des Rotors
Zu Beginn steht der Rotor senkrecht zum Magnetfeld des Stator-Magneten. Wird nun der Rotor an die Stromquelle angeschlossen und der Schalter wie in Abb. 3 geschlossen, so wird der Rotor zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol.
Der Rotor bewegt sich aufgrund der Anziehung der verschiedenen Pole um eine Vierteldrehung. Dann bleibt der Rotor jedoch stehen. Grund hierfür ist, dass die verschiedenen Pole von Stator und Rotor nun nahe beieinander liegen, sich anziehen und sich der Rotor nicht mehr weiter dreht.
Damit sich der Rotor weiter dreht, müssen die Pole des Stators oder des Rotors vertauscht werden. Da die Pole des Stators, die hier Dauermagnete sind, nicht einfach umkehren kann, benötigt man also einen Mechanismus, der die Magnetpole des Rotors umkehrt. Diese Funktion übernimmt meist der sog. Kommutator.
Kommutator sorgt für Änderung der Polung
Der Rotor des Elektromotors muss mit einem Kommutator (Polwender) versehen werden, damit sich der Rotor ständig weiter dreht. Abb. 4 zeigt Aufbau und Funktionsweise eines Kommutators. Die Funktion lässt sich in drei Phasen unterteilen:
- Vor Erreichen des Totpunktes ist der Pluspol der Energiequelle mit dem linken Halbzylinder und der Minuspol mit dem rechten Halbzylinder verbunden. Der Strom fließt auf der sichtbaren Oberseite des Rotors von unten nach oben. Entsprechend hat der Rotor links seinen Nordpol und rechts seinen Südpol.
- Im Totpunkt fließt kein Strom.
- Nach Durchlaufen des Totpunktes ist der Pluspol der Energiequelle mit dem rechten Halbzylinder und der Minuspol mit dem linken Halbzylinder verbunden. Der Strom fließt nun auf der sichtbaren Oberseite des Rotors von oben nach unten. Daher haben sich Nord- und Südpol des Rotors jetzt umgekehrt.
Funktionierender Elektromotor
Wird nun ein Rotor über den Kommutator (Polwender) an die Energiequelle angeschlossen und der Schalter geschlossen, so bewegt sich der Rotor zunächst eine Vierteldrehung bis die entgegengesetzten Pole von Rotor und Stator sehr nahe beieinander sind. Genau hier ist der Totpunkt des Elektromotors erreicht und der Kommutator sorgt für das Umpolen des Rotors, also ein Vertauschen der beiden Pole des Elektromagneten.
Durch das Umpolen sind nun jeweils gleichnamige Pole von Rotor und Stator nahe beieinander. Die gleichnamigen Pole stoßen sich ab und so sorgen dafür, dass sich der Rotor weiterdreht.
Wenn wieder die entgegengesetzten Pole von Rotor und Stator nahe beieinander sind, sorgt der Kommutator wiederum für ein Umpolen des Rotors. So bewegt sich der Rotor kontinuierlich.
Verschiedene Ankertypen
Als Rotor können beim Elektromotor verschiedene Ankertypen genutzt werden. In Abb. 6 sind drei häufig genutzte Variante abgebildet.
Der einfache Anker, auch Doppel-T-Anker genannt, ist zwar vom Aufbau am einfachsten, hat jedoch zwei Nachteile: Zum einen läuft er nicht von alleine an, wenn der Anker im Totpunkt steht. Zum anderen ist die Kraft, die der Motor aufbringt, das sog. Drehmoment, stark unterschiedlich. Der Motor läuft daher besonders bei niedriger Drehzahl unrund.
Der Dreifachanker hingegen läuft aus jeder Stellung von selbst an und hat bei niedriger Drehzahl eine verbesserte Laufruhe. Noch ruhiger läuft der sog. Trommelanker, der aus einer größeren Anzahl von Segmenten besteht.