Definition Wie funktioniert ein Elektromotor?

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Hohes Drehmoment schon beim Start, hohe Präzision im Betrieb, überaus zuverlässig und sehr leise. Elektromotoren sind in der Industrie nicht wegzudenken. Dieser Beitrag liefert eine Übersicht über eine äußerst vielseitige Technologie.

Nicht nur in Autos spielt der Elektromotor eine immer wichtigere Rolle, sondern auch in der Industrie hat er sich bewährt und bietet zahlreiche Vorteile. Doch aufgrund des vielfältigen Einsatzgebietes fällt es schwer, von „dem“ Elektromotor zu sprechen. Tatsächlich gibt es zahlreiche Arten, die auf ihr jeweiliges Einsatzgebiet spezialisiert sind.

Was ist ein Elektromotor?

Ein Elektromotor ist eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Dies geschieht durch das Zusammenspiel von Magnetfeldern, die durch elektrischen Strom erzeugt werden.

Aus welchen Komponenten besteht ein typischer Elektromotor?

Die Hauptkomponenten eines Elektromotors sind der Stator zur Erzeugung eines stationären Magnetfeldes und der Rotor, der sich innerhalb des erzeugten Magnetfeldes dreht.

Beim Stator wird zwischen sogenannten Innenläufer- und Außenläufermotoren unterschieden. Bei einem Innenläufer besteht eine feste Verbindung zwischen Stator und äußerem Motorgehäuse. Bei einem Außenläufer befindet sich der Stator indes im Inneren des Motors.

Hinzu kommen Kupferwicklungen und bei Gleichstrommotoren ein Kommutator (mechanisches Bauteil) bzw. eine elektronische Steuerung, um die Stromrichtung in den Rotorwicklungen zu wechseln. Wechselstrommotoren arbeiten hingegen mit einem elektromagnetischen Drehfeld, das durch die Wechselspannung im Stator erzeugt wird, wodurch kein Kommutator benötigt wird.

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Elektromotoren lassen sich generell in Gleichstrommotoren (DC-Motoren) und Wechselstrommotoren (AC-Motoren) einteilen. Auf die verschiedensten Arten von DC- und AC-Motoren wird noch weiter unten näher eingegangen.

Die einfachste Erklärung für die Funktionsweise von Elektromotoren liefern bürstenlose Gleichstrommotoren.

Für einen DC-Motor ist zunächst ein Permanentmagnet erforderlich, zwischen dessen Pole ein drehbares Eisenteil (auch Anker genannt) mit einer isolierten Wicklung (Spule) gelagert ist. Fließt ein Gleichstrom durch die Spule, baut sie ein Magnetfeld auf, sodass der Eisenkern zum Elektromagneten wird. Die Polung dieses Magneten (Ausrichtung von Nord- oder Südpol) ist von der Stromrichtung in der Spule abhängig. Bei eingeschaltetem Strom richtet sich der drehbare Elektromagnet stets so aus, dass sich die ungleichen Pole zwischen Anker und Permanentmagnet gegenüberstehen. Um eine kontinuierliche Drehbewegung zu erzeugen, muss diese magnetische Ausrichtung umgepolt werden. Dies geschieht durch die fortlaufende Änderung der Stromrichtung in der Spule (Kommutierung). Die Drehrichtung ist hierbei stets von der Polung der Stromquelle abhängig. Werden die Pole vertauscht, dreht sich der Elektromotor in die Gegenrichtung.

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Wechselstrommotoren bestehen im Wesentlichen ebenfalls aus einem Rotor (Anker) und einem Stator (Feldmagneten), haben aber keinen Kommutator. Durch den Rotor wird hingegen Wechselstrom geleitet, der für die Entstehung eines Magnetfeldes sorgt, dessen Pole sich in der Frequenz des Wechselstroms ändern. Wird der Rotor vor Einschalten des Stroms in eine Rotationsbewegung versetzt, dann kann er bei richtiger Drehfrequenz seine Rotation fortsetzen. Dies geschieht immer dann, wenn der Rotor in dem Moment, in dem er sich gerade am magnetischen Nordpol des Stators vorbei bewegt, aufgrund der Stromumpolung dort auch selbst einen eigenen magnetischen Nordpol ausbildet. Die gleichen Pole stoßen sich ab und die Drehbewegung wird fortgesetzt. Das gleiche Prinzip gilt für die magnetischen Südpole. Solche Wechselstrommotoren werden auch Synchronmotoren genannt.

Welche Arten von Elektromotoren gibt es?

Wie bereits oben beschrieben, lassen sich Elektromotoren generell in Gleichstrommotoren (DC-Motoren) und Wechselstrommotoren (AC-Motoren) einteilen.

Gleichstrom-Motoren

Zu den wichtigsten Typen von Gleichstrom-Motoren gehören Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren (BLDC: Brushless DC).

Der Bürstenmotor: Bei Bürstenmotoren arbeitet der Kommutator mit per Federdruck anliegenden Kontakten (den Bürsten) als Schleifring, die meist aus Kohle bestehen. Dank der Bürsten lässt sich die Leistung eines Elektromotors durch die jeweils angelegte Betriebsspannung gut regeln.

Unter den Bürstenmotoren wird ferner zwischen Reihenschlussmotoren, Nebenschlussmotoren und Doppelschlussmotoren unterschieden.

Bei einem Reihenschlussmotor sind die Spulen von Stator und Rotor in Reihe geschaltet. Ein typisches Merkmal von Reihenschlussmotoren ist die mit der Last variierende Drehzahl. Daher finden sich solche Motoren zumeist in Kurzanwendungen, wie bspw. dem Anlasser von Fahrzeugen.

Aufgrund der parallel geschalteten Spulen beim Nebenschlussmotor arbeiten diese Geräte unabhängig von der Last mit gleichbleibender Drehzahl. Nebenschlussmotoren sind daher besonders für Industrieanwendungen geeignet, etwa für Drehmaschinen und Förderbänder.

Doppelschlussmotoren vereinen schließlich die Bauformen sowie Eigenschaften von Reihen- und Nebenschlussmotoren. Sie kombinieren ein hohes Anlaufmoment mit konstanter Drehzahl und sind daher insbesondere in schweren Antrieben z. B. von Pressen und Stanzen zu finden.

Der bürstenlose Motor: Bürstenlose DC-Motoren haben, wie der Name schon sagt, keine Bürsten, die bei konventionellen Gleichstrommotoren für die Stromübertragung bzw. Kommutierung sorgen. In bürstenlosen DC-Motoren wird stattdessen eine elektronische Kommutierung verwendet. Das besondere Merkmal der BLDC-Motoren ist in diesem Zusammenhang ihr umgekehrter Aufbau: der Permanentmagnet ist am Rotor angebracht, während der Stator die Spulen enthält. Die Regelelektronik des Motors lenkt den Stromfluss so, dass die Spule ein kreisförmig wanderndes Magnetfeld erzeugt, das schließlich für die Drehbewegung des magnetischen Rotors sorgt. Die Funktionsweise solcher BLDC-Motoren wurde bereits eingangs beschrieben.

AC-Motoren

Wechselstrommotoren (AC-Motoren) zählen zum Industriestandard, wobei sich in der Industrie durch ihren hohen Wirkungsgrad vor allem Drehstrommotoren etabliert haben. Diese Motoren werden mit Dreiphasenwechselstrom betrieben. Ein Drehstrommotor hat hierzu einen Stator, der aus drei Spulen besteht, die jeweils von einer Phase gespeist werden. Die Phasen der drei sinusförmigen Spannungen sind jeweils um 120° versetzt. Diese Phasenverschiebung erzeugt ein rotierendes Magnetfeld im Stator, das den Rotor in eine Drehbewegung versetzt.

Bei Wechselstrommotoren wird im Wesentlichen zwischen Synchronmotoren und Asynchronmotoren - zu denen auch Drehstrommotoren gehören - unterschieden.

Bei Synchronmotoren erzeugt der Rotor sein Feld selbst (meist durch Permanentmagneterregung am Rotor bzw. Läufer) und nicht durch Induktion. Der Rotor wird dadurch automatisch vom Statorfeld mitgenommen, sodass Rotor und Statorfeld synchron zueinander laufen. Die Drehzahl von Synchronmotoren wird häufig mit Frequenzumrichtern geregelt. Insbesondere permanentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM) haben daher oftmals einen höheren Wirkungsgrad als Asynchronmotoren, wodurch sie sich in vielen industriellen Applikationen bspw. in der Robotik, kleineren Maschinen, Servomotoren oder in der Automation als Antriebslösungen durchgesetzt haben.

Asynchronmotoren (auch Induktionsmotoren genannt) erzeugen durch Induktion ihr Drehmoment selbst, wodurch der Rotor keine eigene Spannungsversorgung benötigt. Der Rotor läuft hierdurch langsamer als das Magnetfeld des Stators (Schlupf).

Asynchronmotoren sind als Drehstrommotoren in der Industrie weit verbreitet, da sie sich überall dort einsetzen lassen, wo keine variable Drehzahl erforderlich ist, z. B. in Lüftern, Kompressoren, Pumpen etc.

Sonderformen

Neben den DC- und AC-Motoren sind außerdem noch einige Elektromotoren als Sonderformen erwähnenswert. Hierzu gehören u.a. Schrittmotoren, Reluktanzmotoren und Universalmotoren.

Ein Schrittmotor ist ein spezieller Synchronmotor, bei dem der Rotor durch ein entsprechend angesteuertes Statorfeld schrittweise gedreht werden kann. Solche Motoren sind daher bspw. ideal für eine Vielzahl an Positionierungsaufgaben, etwa in CNC-Maschinen.

Ein Reluktanzmotor hat einen Rotor ohne Wicklungen oder Permanentmagnete und rotiert durch Steuerung von außen nach dem Prinzip der magnetischen Reluktanz (magnetischer Widerstand). Solche Motoren nutzen Unterschiede in der Reluktanz zur Erzeugung eines spezifischen Drehmoments. Ein Reluktanzmotor zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und hoher Effizienz aus, wodurch er sich mitunter als kompakte wirtschaftliche Alternative zu anderen Antriebslösungen anbietet.

Ein Universalmotor kann sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden und basiert auf dem Prinzip eines Gleichstrom-Reihenschlussmotors, bei dem die Feld- und Ankerwicklungen in Reihe geschaltet sind.

Wenn bei einem Reihenschlussmotor die Stromrichtung umgekehrt wird, ändert sich die Richtung des Rotor- und Erregerfeldes zur Erzeugung des magnetischen Feldes, für das entweder eine Spule oder ein Permanentmagnet verwendet wird. Die Drehrichtung bleibt jedoch gleich. Aus diesem Grund kann ein Reihenschlussmotor mit Gleichstrom und mit Wechselstrom betrieben werden. Die Bauweise ermöglicht es, dass der Motor unabhängig von der Stromart in einer konstanten Drehrichtung arbeitet, da sich die Magnetfelder synchron mit der Stromrichtung umpolen.

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In welchen Anwendungen sind Elektromotoren zu finden?

Elektromotoren sind in der Industrie in unzähligen Anwendungen als Antriebslösungen zu finden. Hier nur einige wenige Beispiele:

• Fördertechnik und Materialtransport: Förderbänder in der Produktion und Logistik, Gabelstapler, fahrerlose Transportsysteme etc.

• Fluidtechnik: Pumpen- und Lüftersysteme, die oftmals permanent in Betrieb sind

• Hebetechnik: Krane, Krankatzen, Hebebühnen oder andere Hebevorrichtungen

• Automatisierung: Steuerung von Robotern in allen erdenklichen Anwendungen

• Fertigungstechnik: Gleichlaufantrieb von Walzen oder Druckmaschinen, Antriebe zum Auf- und Abwickeln bspw. von Papier- oder Stahlcoils, Positionierung z. B. an CNC-Maschinen

Was sind die Vorteile von Elektromotoren?

Das breite Einsatzspektrum für Elektromotoren kommt nicht von ungefähr, sondern hat seine Gründe vor allem in entscheidenden Vorteilen gegenüber anderen Antriebsarten. Zu den wesentlichen Argumenten gehören u.a.:

• Hoher Wirkungsgrad: Im Vergleich zu anderen Antrieben wir bspw. Verbrennungsmotoren, haben Elektromotoren einen hohen Wirkungsgrad. Es geht nur wenig Energie in Form von Wärme verloren, sodass diese Energie in mechanische Kraft übertragbar ist.

• Schnelles maximales Drehmoment: Direkt beim Anfahren liefern Elektromotoren ihr maximales Drehmoment, was zu einer schnellen Beschleunigung des Antriebs führt.

• Hohe Energieeffizienz: Elektromotoren sind in der Lage, elektrische Energie mit minimalen Verlusten in mechanische Energie umzuwandeln. Das macht sie im Vergleich zu anderen Antriebsarten äußerst effizient. Moderne Motoren haben hohe Effizienzklassen wie

• z. B. IE3 oder IE4, was zu einem reduzierten Energieverbrauch und sinkenden Betriebskosten führt.

• Umweltfreundlich: Elektromotoren emittieren keine Schadstoffe oder Treibhausgase und benötigen keinen Treibstoff. Sie leisten somit einen gewissen Beitrag für den Umweltschutz und zur Einsparung wertvoller Ressourcen.

• Geringer Wartungsaufwand: Elektromotoren haben nur wenige bewegliche Teile im Vergleich zu anderen Antrieben. Hierdurch wird der Wartungsaufwand reduziert und die Lebensdauer des Antriebs verlängert.

• Höhere Präzision und Zuverlässigkeit: Elektromotoren ermöglichen eine präzise Ansteuerung und sind im Betrieb sehr zuverlässig. Damit werden sie unverzichtbar für alle erdenklichen hochautomatisierten Anwendungen. Durch die Abgabe eines gleichmäßigen Drehmoments sind sie z. B. ideal für den Einsatz in Industrierobotern.

• Leiser Betrieb: Im Vergleich zu pneumatischen oder hydraulischen Antriebssystemen sind Elektromotoren sehr leise im Betrieb, wodurch sich die Schallemissionen in unmittelbaren Arbeitsumgebungen zu den Motoren in Grenzen halten.

• Vielseitigkeit: Elektromotoren lassen sich in ihren unterschiedlichsten Ausprägungen in einer Vielzahl an Anwendungen einsetzen und sind überdies einfach an bestimmte Anforderungen anpassbar, z. B. hohen Belastungen oder variablen Drehgeschwindigkeiten.

• Integration in moderne Technologien: Elektromotoren können mit einer Vielzahl an digitalen Steuerungssystemen kombiniert werden. Somit gehören sie zu einer der Schlüsselkomponenten im IIoT (Industrial Internet of Things).

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Was sind die Nachteile von Elektromotoren?

Aber Elektromotoren haben auch ihre Schattenseiten, wie im Folgenden deutlich wird:

• Energieversorgung und Speicherung: Elektromotoren benötigen eine konstante elektrische Energieversorgung. Die Speicherung der erzeugten Energie z. B. in Form von Batterien, kann teuer sein und ist im Bereich der E-Mobilität oft mit einem hohen Gewicht verbunden.

• Ressourcen für die Produktion: Zu Herstellung von Elektromotoren-Komponenten, vor allem für die Magnete und Batterien, werden seltene Materialien benötigt, deren Abbau ökologische und soziale Probleme verursachen kann.

• Recycling und Entsorgung: Das Recycling und die Entsorgung von Batterien sowie anderer Komponenten von Elektromotoren kann mitunter aufwendig sein und auch eine ökologische Herausforderung darstellen.

Anbieter von Elektromotoren

• ABB

• Baumüller

• Beckhoff

• Bosch

• Crouzet

• Dunkermotoren

• EW HOF Antriebe und Systeme

• Faulhaber

• Festo

• Getriebebau Nord

• Heidrive

• KAG

• KEB

• Lammers

• Lenze

• Maxon

• Misumi

• Moog

• Oriental Motor

• Rotek

• SEW Eurodrive

• Siemens

• Yaskawa

• Ziehl-Abegg

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

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Quellen:GracoLammersHoyer Motors: Den Energieverbrauch senken mit ElektromotorenRN-WissenStudy SmarterBlue EngineeringSyco TecFaulhaberMisumiConradWikipedia: ElektromotorSimpleclubLeifi PhysikSEW-EurodriveRC-NetworkWikipedia: Elektrischer GeneratorRecyclingportalAK-KurierHoyer Motors: FAQ ElektromotorenHöganäsKCCOBpartsEW HofMoocitGutefrage.net: Vor- und Nachteile von Asynchron- und SynchronmotorenRotek MotorenZiehl-Abegg

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