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Das Grundprinzip des Elektromotors

Das Grundprinzip des Elektromotors

Veröffentlicht am 04.11.2022

Unsere Triebfahrzeuge fahren, weil in ihnen Elektromotoren eingebaut sind, die die Räder antreiben. Das Prinzip des Elektromotors baut auf der Tatsache auf, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld um sich herum erzeugt. In Spulen aufgewickelte Leiter erzeugen ein gerichtetes Magnetfeld wie ein Stabmagnet, das durch einen Kern aus magnetisierbarem Material verstärkt werden kann.

Bild MotorBild MotorSo erzeugte elektromagnetische Felder korrespondieren mit Magnetfeldern von Dauermagneten, stoßen sich bei gleicher Polung wie diese ab und ziehen sich bei unterschiedlicher Polung an.

Im Wesentlichen besteht ein Elektromotor aus zwei Komponenten:

  • einem feststehenden Stator und
  • einem sich drehenden Rotor.

Stator und Rotor sind magnetisch, aber für eine kontinuierliche Bewegung muss sich eines der beiden Magnetfelder umpolen lassen, sonst orientierte sich der Rotor einmal magnetisch am
Stator und danach passierte nichts mehr.

Das Bild oben zeigt die grundsätzlichen Konstruktionsprinzipien des Gleichstrommotors. Ein umpolbares Magnetfeld kann nur ein elektromagnetisches sein, also ist der Rotor eine Spule. Sie wird drehbar aufgehängt, so dass sie sich im äußeren Magnetfeld frei bewegen kann. Der Stator ist beim Gleichstrommotor üblicherweise ein Permanentmagnet, zum Beispiel ein den Rotor umschließender Hufeisenmagnet. Denselben Effekt erzielt man mit zwei separaten Magneten, die neben der Spule so befestigt werden, dass sie sich gegenüberstehen und zum Rotor unterschiedliche Pole weisen. Wird die Spule von Gleichstrom durchflossen, baut sich in ihr ein magnetisches Feld auf, das mit dem Feld des Stators kommuniziert und die Spule wie eine Kompassnadel so einpendelt, dass die jeweils entgegengesetzten Pole der Magnetfelder von Spule und Permanentmagnet(en) zueinander weisen.

Um die gewünschte Drehbewegung zu erhalten, müssen wir dafür sorgen, dass in dem Moment, da sich die anziehenden Pole gegenüberstehen, das Feld der Spule kippt, um vom Permanentmagneten wieder abgestoßen zu werden. Die Spule bewegt sich dann um 180°, um wieder den magnetischen Idealzustand herzustellen, aber nun muss erneut umgeschaltet werden.

Das dauernde Umschalten besorgt der so genannte Kommutator für uns. (Der Kommutator wird auch Kollektor genannt, was aber zu Verwirrung führen kann, weil einer der drei Anschlüsse eines Transistors ebenfalls Kollektor heißt.) Er besteht aus mindestens zwei metallenen Schalen auf der isolierten Welle, über die die Spule mit Spannung versorgt wird. Der Strom läuft also von der Spannungsquelle über einen Schleifer auf eine Hälfte des Kommutators, von dort durch die Spule zur anderen Hälfte des Kommutators und über den zweiten Schleifer zurück. Wenn die Polung des Kommutators wechselt, ändert sich zwangsläufig die Polung des Magnetfeldes der Spule, Spule und Kommutator beeinflussen sich also ständig gegenseitig. Die Schleifer, die den Kommutator mit der Betriebsspannung verbinden, werden auch Bürsten genannt; da sie häufig aus Graphit bestehen, hat sich auch die Bezeichnung Kohlebürsten oder kurz Kohlen dafür eingebürgert.

Bild AnlaufrichtungBild Anlaufrichtung

Dieses zweipolige Motormodell mit einer sich drehenden Spule hat einige Nachteile. So läuft er nicht gleichmäßig rund, sondern ruckelt ein wenig, weil ein paar Grad der Drehung vor dem Umpolen spannungsfrei durch die eigene Trägheit zu überwinden sind. Erst dann wird die Spule wieder magnetisch und abgestoßen. Außerdem ist man sich beim Start nie ganz sicher, in welche Richtung der Motor denn drehen wird, denn die Rotationsrichtung ist davon abhängig, in welchem Winkel die Spule beim Einschalten der Spannung zum Permanentmagneten steht.

Wählt man allerdings einen Rotor mit ungerader Spulenzahl, lässt sich die Drehrichtung sicher festlegen. Die Zahl der Kontakte des Kommutators muss zwangsläufig mit der Anzahl der Spulen übereinstimmen.

Bild 3-poliger RotorBild 3-poliger RotorDer zweite Trick liegt darin, dass die Spulen untereinander verbunden sind. Anders als beim zweipoligen Motor ist der Stromkreis dabei nicht offen, sondern in sich geschlossen. An den Kontaktstellen zwischen zwei Spulen wird dieser Kreis angezapft, von dort führen Leitungen zu den Kontakten des Kommutators. Es bleibt aber bei der Zuführung der Betriebsspannung über nur zwei Schleifer.

Dieses Missverhältnis hat zur Folge, dass niemals alle drei Spulen von Strom durchflossen werden, sondern immer nur eine oder zwei. Je nach Stellung der Kommutatorkontakte werden die aktiven Spulen in die eine oder andere Richtung durchflossen, somit entsteht an den außenliegenden, signifikanten Polen der Spulen wechselnd mal ein Nordpol, mal ein Südpol und mal gar kein magnetisches Feld. Damit ist eine eindeutige Abfolge von Anziehung und Abstoßung gegeben, mit der die Drehrichtung anhand der Stromrichtung eindeutig bestimmt ist.

Je mehr Pole der Motor hat, desto besser für den Rundlauf; wegen der Anordnung der Pole ist auch die Bezeichnung Sternmotor geläufig.

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