Aufbau
Ein einfacher Elektromotor besteht aus einem drehbarem Elektromagneten, dem Rotor oder Anker. Der Rotor ist über Schleifkontakte (weiße Kabel in den Abb. 1.1-1.2) mit einer Gleichstromquelle verbunden. Dabei ändert sich der Anschluss der Kontakte je nach Versuchsteil. Über einen Taster kann der Stromkreis geschlossen werden.
Weiter befindet sich der Rotor im Magnetfeld eines Dauermagneten, dem Stator. Dessen blaue Polschuhe markieren den Südpol bzw. den Nordpol.
Hinweis: Das Verwenden eines Tasters und die Nutzung eines strombegrenzten Netzgerätes verhindern einen längeren hohen Stromfluss durch den Anker, wenn dieser in der Nähe des Totpunktes steht und nicht selbst anläuft.
Rotor im Detail
Der Rotor eines Elektromotors besteht aus einer drehbar gelagerten Spule mit Eisenkern. Die Bilder in Abb. 2 zeigen 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)
- Die sich schließenden Finger zeigen dann in die Richtung der Feldlinien des Magneten (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.
1. Versuch: Feste Polung der Rotoranschlüsse
Der Rotor wird wie in Abb. 1.1 mit seinen den beiden durchgängigen Anschlüssen über die Schleifkontakte mit der Quelle verbunden. Der Rotor wird senkrecht zum Feld des Stator-Magneten gestellt. Nun wird der Schalter geschlossen, sodass Strom durch die Spulen des Rotors fließt und diesen zu einem Elektromagneten macht.
Beobachtung
Der Rotor bewegt sich wie in Abb. 3 um eine Vierteldrehung und bleibt dann stehen. Die Pole der äußeren Permanentmagnete und die Pole des Rotors (Elektromagnet!) sind jetzt ganz nahe beieinander.
Erklärung und Schlussfolgerung
Da die entgegengesetzten Magnetpole von Stator und Rotor nun nahe beieinander liegen und sich anziehen, dreht sich der Rotor nicht mehr weiter, denn diese Position ist die "beste" Position, die die Magnetpole einnehmen können.
Da man jedoch möchte, dass sich der Rotor weiterdreht, muss man dafür sorgen, dass wieder eine Abstoßung zwischen den nahe beieinander liegen Polen entsteht. Dazu kann man entweder die die Pole des Stators vertauschen oder die Pole Rotors. Da hier die Pole des Stators Dauermagnete sind, kann man diese Polung nicht einfach verändern. Daher benötigt man einen Mechanismus, der die Pole des Rotors ändert. Dies ist der sogenannte Kommutator.
2. Versuch: Motor mit Kommutator (Polwender)
Nun wird der Rotor wie in Abb. 1.2 über einen sog. Kommutator (Polwender) an die Stromquelle angeschlossen. Ein Kommutator sorgt dafür, dass sich der Stromfluss durch die Spulen des Rotors gerade dann umkehrt, wenn Südpol des Rotors und Nordpol des Stators nahe beieinander liegen. Mit der Umkehrung der Stromrichtung kehren sich auch die Magnetpole des Rotors gerade um.
Beobachtung
Wenn der Schalter geschlossen wird bewegt sich der Rotor kontinuierlich.
Erklärung
Der Kommutator sorgt dafür, dass sich genau im richtigen Augenblick die Polung des Rotors ändert (vgl. Abb. 4). Es erfolgt dann wieder eine Abstoßung der nahe beieinander liegenden Pole von Stator und Rotor und der Rotor dreht sich weiter.
Totpunkt und Umgebung
Wenn sich der Rotor genau zwischen den Polen der Statormagnete befindet (siehe Abb. 5.1) und der Kommutator den Stromfluss für einen kurzen Moment unterbricht, befindet sich der Motor in seinem Totpunkt. Dann fließt kein Strom mehr durch den Rotor und es wirken keine abstoßenden magnetischen Kräfte, die den Motor antreiben könnten. Kommt der Motor genau in diesem Punkt zum Stehen, was aufgrund der Restmagnetisierung des Rotors häufig der Fall ist, so läuft er nicht von selbst wieder an und muss mit der Hand angestoßen werden.
Auch wenn der Motor sehr nahe an dem Totpunkt stehen bleibt oder die Schleifkontakte breiter als der Kommutator sind läuft der Motor nicht von selbst an, da die wirkenden Kräfte zu klein sind. Es fließt jedoch ein sehr hoher Strom durch den Rotor, der diesen beschädigen kann (siehe Abb. 5.1).
Abhilfe schafft die Nutzung eines Dreifach-Ankers als Rotor. Dieser hat aufgrund seiner Bauform keinen Totpunkt und läuft daher immer von selbst an (siehe Abb. 5.2).