Elektromotoren

Elektromotoren

Elektromotoren sind in vielen Bereichen unseres Lebens präsent.

Physik

Schlagwörter

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Verwandte Extras

3D-Modelle

Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und elektrischem Strom

  • stromführender Leiter
  • magnetische Induktionslinien - In der Wirklichkeit existieren sie nicht, sie werden nur zur Veranschaulichung des Magnetfelds verwendet. Ihre Dichte zeigt die Größe der Induktion des Magnetfeldes um den gegebenen Punkt und die Richtung der Linien die Richtung der Induktion an.

Alle Elektromotoren verwenden die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes.
Wenn durch einen Leiter Strom fließt, entsteht um den Leiter herum ein Magnetfeld, das dem eines Permanentmagneten entspricht, aber den Vorteil hat, regulierbar zu sein.
Die Stärke des erzeugten Magnetfeldes hängt von der Stärke des im Leiter fließenden Stroms und von der Entfernung vom Leiter ab, seine Richtung ist von der Stromrichtung abhängig.

Gebogener Draht

  • stromführender Leiter
  • magnetische Induktionslinien - In der Wirklichkeit existieren sie nicht, sie werden nur zur Veranschaulichung des Magnetfelds verwendet. Ihre Dichte zeigt die Größe der Induktion des Magnetfeldes um den gegebenen Punkt und die Richtung der Linien die Richtung der Induktion an.

Die Spule als Elektromagnet

  • stromführender Leiter - Die Stärke des Magnetfelds kann durch die Stärke des darin fließenden Stroms reguliert werden.
  • magnetische Induktionslinien - Sie verdichten sich im Inneren des gebogenen Ringes, wodurch das Magnetfeld stärker wird.
  • Eisenkern - Die Stärke des Magnetfelds wird durch die Zusammensetzung des Kerns beeinflusst.

Das durch den elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld kann weiter verstärkt werden, indem man den Leiter umwickelt, da sich so die magnetischen Feldlinien im Inneren des Rings verdichten.
Das Magnetfeld verstärkt sich weiter, wenn mehrere Ringe nebeneinander platziert werden – wenn also aus dem Leiter eine Spule geformt wird –, sowie wenn im Inneren ein Stab aus einem magnetisierbaren Material, z. B. Eisen (Eisenkern) platziert wird.
Die so zusammengestellte Spule ist der Elektromagnet, der in allen Elektromotoren vorkommt.

Induktion

  • Spule
  • beweglicher Magnet
  • Strommessgerät

Nicht nur der elektrische Strom kann ein Magnetfeld erzeugen, sondern auch das Magnetfeld elektrischen Strom.
Das ist das Phänomen der elektromagnetischen Induktion.
Nur ein sich änderndes Magnetfeld kann Strom induzieren. Wenn sich das Magnetfeld in der Umgebung einer Spule ändert, wird in der Spule elektrische Spannung induziert, wodurch elektrischer Strom entsteht.
Der resultierende Strom verfügt auch über ein Magnetfeld, sodass die beiden Magnetfelder miteinander in Wechselwirkung treten können.

Gleichstrommotoren

  • Magnet
  • Spule - Wenn sie unter Strom gesetzt wird, entsteht um sie ein magnetisches Feld, sie wird zum Magnet: Sie wird sich entsprechend dem Permanentmagneten im Stator drehen.
  • Kommutator - Er bewegt sich zusammen mit dem Rotor und erhält den elektrischen Strom über die Kohlebürsten. Er leitet diesen in die Spule(n) des Rotors weiter. Im einfachsten Fall werden zwei Pole benötigt, weshalb er aus zwei Halbkreisen besteht. Beim Drehen wird der Strom nach jeder Halbdrehung umgepolt, weshalb er auch Stromwender genannt wird.
  • Schleifkontakt (Bürste) - Der Strom fließt durch ihn zum Kommutator und von dort in die Spule. Er besteht meistens aus Kohle.
  • Eisenkern - Seine Aufgabe ist es, das von der Spule generierte magnetische Feld zu verstärken.
  • Isolierung

Es werden grundsätzlich zwei Elektromotortypen unterschieden: Gleichstrom- und Wechselstrommotoren.
Gleichstrommotoren werden mit Gleichstrom betrieben, der aus einer Batterie oder einem Netzteil stammt. Im einfachsten Fall ist ihr Stator ein Permanentmagnet und ihr Rotor ein Elektromagnet, also eine Spule.
Der Strom wird über einen Schleifkontakt und Kohlebürsten zur rotierenden Spule geleitet. Durch den in die Spule geleiteten Strom wird die Spule zum Magnet und richtet sich daher entsprechend der Polung des Permanentmagneten aus. Bevor sie sich jedoch in die richtige Richtung ausrichtet, wird der Strom am Schleifkontakt umgepolt. Dementsprechend dreht sich die Spule immer weiter, wodurch sich der Motor dreht.
Im Rotor werden häufig verschiedene Spulen eingesetzt, sodass auch die Schleifkontakte über verschiedene Pole verfügen, um einen gleichmäßigen Betrieb zu gewährleisten.
Der Nachteil von Gleichstrommotoren ist, außer ihrer Lautstärke, einerseits, dass die Kohlebürsten verschleißen, weshalb sie gelegentlich ausgetauscht werden müssen, und andererseits, dass der entstehende Kohlenstaub leicht einen Kurzschluss verursachen kann.

Wechselstrom- Synchronmotoren

  • Rotor - Der Permanentmagnet des Rotors versucht, dem rotierende Magnetfeld des Stators zu folgen.
  • Stator - Die Statorspulen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld.
  • Steuerelektronik - Steuert die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Spulen.
  • Wechselstrom

Die andere große Gruppe der Elektromotoren sind die Wechselstrommotoren. Sie werden in Synchronmotoren und Asynchronmotoren unterteilt.

Bei Synchronmotoren erhalten die Statorspulen Wechselstrom, der entweder aus dem Stromnetz stammt oder elektronisch erzeugt wird. Wenn der Strom in den einzelnen Statorspulen nicht in der gleichen Phase wechselt, entsteht ein rotierendes Magnetfeld.
Die Phasenverschiebung wird entweder mittels einfacher Kondensatoren oder durch den Einsatz komplexer Steuerelektronik erzeugt. Der Rotor enthält in der Regel Permanentmagnete, er kann jedoch auch (gleichstrombetriebene) Spulen enthalten.
Der Magnet des Rotors versucht, dem rotierenden Magnetfeld des Stators zu folgen, wodurch er sich mit ihm dreht.

Wenn ein derartiger Elektromotor belastet wird, dann kann der Rotor nicht mit dem Magnetfeld des Stators mithalten, hinkt also etwas hinterher, seine Drehzahl bleibt jedoch gleich. Synchronmotoren können also nur mit der Drehzahl betrieben werden, die der Frequenz des Antriebsstroms entspricht. Bei zu hoher Belastung können sie jedoch aus dem Takt geraten, wodurch der Motor stoppt. Zum Start brauchen diese Motoren eine Anlaufhilfe, die meisten starten deshalb als Induktionsmotor und schalten erst danach in den Synchronmodus.

Beim Antrieb von Fahrzeugen wird die Frequenz des dem Synchronmotor zugeführten Wechselstromes gemäß der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit reguliert. Da der Wechselstrom in modernen Elektrofahrzeugen elektronisch aus Gleichstrom erzeugt wird, betrachtet der Verbraucher diese Motoren als Gleichstrommotoren, weshalb sie auch als bürstenlose Gleichstrommotoren oder BLDC-Motoren (Brushless DC Motor) bezeichnet werden.

Permanentmagneterregte Synchronmotoren haben einen großen Vorteil gegenüber Gleichstrommotoren, da sie keinen Schleifkontakt benötigen, sodass keine Verschleißteile vorhanden sind und der Betrieb nahezu geräuschlos ist.

Wechselstrom- Asynchronmotoren

  • Rotor - Der Rotor kann auch ein einfacher Metallstab sein, in dem durch das sich ändernde Magnetfeld Strom induziert wird.
  • Stator - Die Statorspulen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld.
  • Steuerelektronik - Steuert die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Spulen.

Der Drehstrom-Asynchronmotor basiert auf dem Phänomen der Induktion, weshalb er auch als Induktionsmotor bezeichnet wird.
Auch er besteht aus zwei Teilen: einem Stator und einem Rotor. Der Stator besteht aus verschiedenen Spulen, denen Wechselstrom zugeführt wird. Der Rotor kann auch ein einfacher Metallzylinder sein, im Rotor befindet sich jedoch in der Regel eine Spule, die kurzgeschlossen wird, die also von außen keinen Strom erhält.

Er funktioniert wie folgt:
1) In den Statorspulen fließt der Wechselstrom nicht in der gleichen Phase, sodass um die Spulen herum ein rotierendes Magnetfeld entsteht.
2) Dieses rotierende, sich ändernde Magnetfeld induziert im Rotor elektrischen Strom.
3) Der so entstehende Strom erzeugt ein weiteres Magnetfeld um den Rotor herum.
4) Die beiden Magnetfelder treten miteinander in Wechselwirkung, weshalb der Rotor versucht, sich entsprechend des äußeren Magnetfeldes auszurichten, da es jedoch rotiert, kann der Rotor das Magnetfeld nicht einholen, wodurch die Rotation konstant ist.

Ein rotierendes Magnetfeld entsteht nur, wenn die Statorspulen nicht gleichzeitig, sondern in verschiedenen Phasen arbeiten. Wird der Motor mit Mehrphasenstrom angetrieben, müssen die Statorspulen in jeweils anderen Phasen in Reihe geschaltet werden, um ein rotierendes Magnetfeld zu gewährleisten.
Wird der Motor mit Einphasenstrom betrieben, erfolgt die Phasenverschiebung der Stromversorgung der äußeren Spulen entweder über einen Kondensator oder – heutzutage – elektronisch.
Ohne Phasenverschiebung startet der Motor nicht selbstständig, bekommt er aber Anlaufhilfe, dann dreht er sich auch ohne Phasenverschiebung.
Der Betrieb von Asynchronmotoren ist weniger komplex als der von Synchronmotoren, da sie bei einer Überlastung nicht stehenbleiben.

Linearmotoren

  • Stator - Magnete
  • Rotor - Spulen
  • Sensor

Beide Motortypen verfügen auch über lineare Versionen: LIM (Linear Induction Motor) und LSM (Linear Synchronous Motor). In diesen Maschinen führt der Betrieb des Motors nicht zu einer Rotationsbewegung, sondern zu einer Translationsbewegung.
Das Funktionsprinzip entspricht dem der rotierenden Motoren, mit dem Unterschied, dass der Rotor und der Stator beide entlang einer Geraden ausgerichtet sind.
Ein weiterer Unterschied zu den rotierenden Motoren ist, dass der bewegliche Teil in der Regel der Teil mit den Spulen ist, und nicht der magnetische oder magnetisierbare Teil.

Bei Linearmotoren (LIM-Motoren) wird ein mehrphasiger Wechselstrom in die bewegliche Spulenreihe geleitet, wodurch ein bewegtes Magnetfeld entsteht, das in der Metallschiene Strom induziert, dessen Magnetfeld den beweglichen, die Spulen enthaltenden Teil des Motors vorantreibt.

Bei LSM-Motoren muss die Schiene aneinandergereihte Magnete enthalten und der in den Spulen des beweglichen Teils fließende Wechselstrom gemäß der Translation geändert werden, damit er den nächsten Magneten immer in der richtigen Phase erreicht. Ohne Sensoren und Steuerelektronik ist das nicht möglich.

Schrittmotoren

  • Rotor - Der Rotor kann auch ein einfacher Metallstab sein, in dem durch das sich ändernde Magnetfeld Strom induziert wird.
  • Stator - Die Statorspulen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld.
  • Steuerelektronik - Steuert die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Spulen.

Der Schrittmotor ist in Anlagen sehr nützlich, bei denen man genau wissen muss, um welchen Winkel (Schritt) sich der Motor durch die betreffende Strommenge verdreht.
Solche Motoren drehen die Arme von Robotern oder die Komponenten von Kopierern und Druckern. Der Rotor von Schrittmotoren besteht aus Permanentmagneten, der Stator aus Elektromagneten. Die Elektromagnete des Stators werden von der Steuerelektronik entsprechend dem gewünschten Winkel separat mit Strom versorgt.
Je mehr Permanentmagnete im Rotor und sowie Elektromagnete im Stator verbaut sind, desto kleiner ist der Winkel, in dem sich der Motor schrittweise drehen kann, wodurch er präziser in die gewünschte Richtung gedreht werden kann.
Die Auflösung des Motors kann auch dadurch erhöht werden, dass die Magnete des Rotors und die Eisenkerne der Elektromagnete des Stators gezahnt sind. Die Auflösung kann des Weiteren durch eine präzise Änderung des in die Spulen geleiteten Steuerstroms erhöht werden.

Narration

Elektromotoren sind in vielen Bereichen unseres Lebens präsent. Es gibt viele Arten von Elektromotoren, aber alle verwenden die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes.

Wenn in einem Leiter Strom fließt, entsteht um den Leiter herum ein Magnetfeld. Die Stärke des erzeugten Magnetfeldes hängt von der Stärke des im Leiter fließenden Stroms und von der Entfernung vom Leiter ab.

Das durch den elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld kann weiter verstärkt werden, indem man den Leiter zu einer Spule wickelt. Diese Spule ist der Elektromagnet, der in allen Elektromotoren vorkommt. Die Stärke des Elektromagneten und die Position seiner Pole können durch den darin fließenden Strom reguliert werden.

Nicht nur der elektrische Strom kann ein Magnetfeld erzeugen, sondern auch das Magnetfeld elektrischen Strom. Das ist das Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Nur ein sich änderndes Magnetfeld kann Strom induzieren. Wenn sich das Magnetfeld in der Umgebung einer Spule ändert, wird in der Spule elektrische Spannung induziert, wodurch elektrischer Strom entsteht. Der resultierende Strom verfügt auch über ein Magnetfeld, sodass die beiden Magnetfelder miteinander in Wechselwirkung treten können. Einige Elektromotoren nutzen dieses Phänomen.

Es werden grundsätzlich zwei Elektromotortypen unterschieden: Gleichstrom- und Wechselstrommotoren. Gleichstrommotoren werden mit Gleichstrom betrieben, ihr Stator ist ein Permanentmagnet und ihr Rotor ein Elektromagnet. Der Strom wird über einen Kommutator und die ihn kontaktierenden Kohlebürsten zur rotierenden Spule geleitet. Durch den in die Spule geleiteten Strom wird die Spule zum Magnet und richtet sich daher entsprechend der Polung des Permanentmagneten aus. Bevor sie sich jedoch in die richtige Richtung ausrichtet, wird der Strom am Kommutator umgepolt. Dementsprechend dreht sich die Spule weiter in Richtung des gegenüberliegenden Pols, wodurch der Motor in Rotation gehalten wird.

Die andere große Gruppe der Elektromotoren sind die Wechselstrommotoren. Sie werden in Synchronmotoren und Asynchronmotoren unterteilt. Bei Synchronmotoren erhalten die Statorspulen Wechselstrom, der entweder aus dem Stromnetz stammt oder elektronisch erzeugt wird. Wenn der Strom in den einzelnen Statorspulen nicht in der gleichen Phase wechselt, entsteht ein rotierendes Magnetfeld. Der Magnet des Rotors versucht, dem rotierenden Magnetfeld des Stators zu folgen, wodurch er sich mit ihm dreht. Synchronmotoren können nur mit der Drehzahl betrieben werden, die der Frequenz des Antriebsstroms entspricht. Bei zu hoher Belastung können sie jedoch aus dem Takt geraten, wodurch der Motor stoppt. Zum Start brauchen diese Motoren eine Anlaufhilfe. Dieses Problem wird in modernen Elektrofahrzeugen dadurch überwunden, dass der Wechselstrom elektronisch aus Gleichstrom erzeugt wird, wobei Sensoren dafür sorgen, dass die Statorspulen immer in der richtigen Phase mit Strom versorgt werden, damit der Motor nicht aus dem Takt gerät.
Die Verbraucher betrachten diese Motoren als Gleichstrommotoren, weshalb sie auch als bürstenlose Gleichstrommotoren bezeichnet werden. Permanentmagneterregte Synchronmotoren haben einen großen Vorteil gegenüber Gleichstrommotoren, da sie keinen Schleifkontakt benötigen, sodass keine Verschleißteile vorhanden sind und der Betrieb nahezu geräuschlos ist.

Der Drehstrom-Asynchronmotor basiert auf dem Phänomen der Induktion, weshalb er auch als Induktionsmotor bezeichnet wird. Auch er besteht aus zwei Teilen: einem Stator und einem Rotor. Der Stator besteht aus verschiedenen Spulen, denen Wechselstrom zugeführt wird. Der Rotor kann auch ein einfacher Metallzylinder sein, im Rotor befindet sich jedoch in der Regel eine Spule, die kurzgeschlossen wird, die also von außen keinen Strom erhält. In den Statorspulen fließt der Wechselstrom nicht in der gleichen Phase, sodass um die Spulen herum ein rotierendes Magnetfeld entsteht. Dieses rotierende, sich ändernde Magnetfeld induziert im Rotor elektrischen Strom. Der so entstehende Strom erzeugt ein weiteres Magnetfeld um den Rotor herum. Die beiden Magnetfelder treten miteinander in Wechselwirkung, weshalb der Rotor versucht, sich entsprechend des äußeren Magnetfeldes auszurichten, da es jedoch rotiert, kann der Rotor das Magnetfeld nicht einholen, wodurch die Rotation konstant ist.
Der Betrieb von Asynchronmotoren ist weniger komplex als der von Synchronmotoren, da sie bei einer Überlastung nicht stehenbleiben.

Beide Motortypen verfügen auch über lineare Versionen: LIM (Linear Induction Motor) und LSM (Linear Synchronous Motor). In diesen Maschinen führt der Betrieb des Motors nicht zu einer Rotationsbewegung, sondern zu einer Translationsbewegung. Das Funktionsprinzip entspricht dem der rotierenden Motoren, mit dem Unterschied, dass der Rotor und der Stator beide entlang einer Geraden ausgerichtet sind.

Der Schrittmotor ist in Anlagen sehr nützlich, in denen man genau wissen muss, um welchen Winkel (Schritt) sich der Motor durch die betreffende Strommenge verdreht. Solche Motoren drehen die Arme von Robotern oder die Komponenten von Kopierern und Druckern. Der Rotor von Schrittmotoren besteht aus Permanentmagneten, der Stator aus Elektromagneten. Die Elektromagnete des Stators werden von der Steuerelektronik entsprechend dem gewünschten Winkel separat mit Strom versorgt.

Verwandte Extras

Der Generator und der Elektromotor

Generatoren wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um, Elektromotoren elektrische in mechanische.

Der Gleichstrommotor

Zwischen seinen Permanentmagneten befindet sich eine Leitung (Spule), durch die Strom fließt.

Die Wechselstromerzeugung

Durch das Drehen einer Leiterschleife in einem Magnetfeld kann elektrischer Strom erzeugt werden.

Der Kondensator

Kondensatoren speichern elektrische Energie in Form von elektrischer Ladung.

Die elektrische Klingel

Eine mithilfe eines Elektromagneten funktionierende Konstruktion.

Das Laboratorium von Nikola Tesla (Shoreham, USA)

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Der Dynamo (Mittelstufe)

Der Dynamo stellt aus mechanischer Energie elektrische Energie her.

Der Transformator

Ein Transformator dient der Änderung der elektrischen Spannung.

Magnetron

Einer der wichtigsten Bestandteile des Mikrowellenherdes, der Mikrowellen produziert.

Das Elektroauto

Das Tesla Model S ist eins der ersten für den Alltagsgebrauch geeigneten Elektroautos.

Die Magnetschwebebahn (Maglev)

Eins der modernsten Verkehrsmittel unserer Zeit ist die Magnetschwebebahn.

Umweltfreundliche Autos

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Mithilfe der Animation lernen wir den Aufbau und die Funktionsweise des Laserdruckers kennen.

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