Elektromotor: verstehen und üben

Lernschritt 1

Was macht ein Elektromotor?

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Er kann beispielsweise eine Welle antreiben, die über weitere Bauteile einen Ventilator, ein Fahrzeug oder eine Maschine bewegt.

Auf dieser Seite betrachten wir einen einfachen Gleichstrommotor mit Permanentmagneten, Bürsten und geteiltem Kommutator. Andere Motorarten können anders aufgebaut sein und etwa elektronisch statt mechanisch umgeschaltet werden.

Die Grundidee baut auf der Kraft auf stromdurchflossene Leiter auf. In der Spule fließt der Strom auf zwei gegenüberliegenden Leiterseiten in entgegengesetzte Richtungen. Im äußeren Magnetfeld wirken dadurch ebenfalls entgegengesetzte Kräfte. Diese können die Spule drehen.

Lernschritt 2

Die Bauteile und ihre Aufgaben

• Stator: Der feststehende Teil erzeugt im betrachteten Modell mit Permanentmagneten das äußere Feld.
• Rotor oder Anker: Der drehbare Teil enthält die stromdurchflossene Spule und ist mit der Welle verbunden.
• Bürsten: Feststehende Kontakte führen Strom zu den rotierenden Kontakten.
• Kommutator: Getrennte leitende Segmente schalten die Verbindung zur Rotorspule während der Drehung um.
• Gleichspannungsquelle: Sie liefert die elektrische Energie für den Betrieb.

Die Bürsten drehen sich nicht mit. Sie liegen an den Kommutatorsegmenten an, die zusammen mit der Spule rotieren. Die Spule muss elektrisch isolierte Windungen besitzen; die Segmente des Kommutators dürfen nicht einfach leitend miteinander verbunden sein.

Das Bild zeigt die Kontaktidee ohne vollständige Verkabelung. Jedes Segment ist mit einem Spulenende verbunden. Beim Weiterdrehen wechselt, welches Spulenende über die Bürsten mit welchem Quellenpol verbunden ist.

Lernschritt 3

Warum drehen zwei entgegengesetzte Kräfte die Spule?

Entgegengesetzte gleich große Kräfte können zusammen eine resultierende Kraft von null haben und trotzdem eine Drehwirkung erzeugen. Entscheidend ist, dass sie an verschiedenen Stellen angreifen und ihre Wirkungslinien nicht zusammenfallen.

Die beiden Kräfte bilden dann ein Kräftepaar. In der gezeigten Lage zieht die Kraft die linke Spulenseite nach oben und die rechte nach unten. Beide Beiträge drehen die Spule aus unserer Blickrichtung im Uhrzeigersinn.

Die Kraft auf eine Leiterseite berechnest du in der senkrechten Anordnung mit F = B · I · l. Für das Drehmoment musst du zusätzlich den jeweiligen senkrechten Abstand der Kraftwirkungslinie zur Achse berücksichtigen.

Lernschritt 4

Ausprobieren: Eine halbe Drehung mit Umpolung

Die Buchstaben A und B kennzeichnen dieselben beiden Leiterseiten während der Drehung. Nach einer halben Umdrehung stehen sie auf den jeweils anderen Seiten der Achse.

Damit das Drehmoment in derselben Richtung weiterwirkt, hat der Kommutator inzwischen die Stromrichtung in der Spule umgekehrt. An der jetzt linken Position zeigt der technische Strom wieder aus dem Bild heraus, an der rechten hinein. Die Kräfte zeigen wieder links nach oben und rechts nach unten.

Ohne diese Umpolung würden die Ströme mit den Leiterseiten die Plätze tauschen und die Kräfte nach der halben Drehung ein entgegengesetztes Drehmoment erzeugen. Die Spule würde nicht dauerhaft im gewünschten Drehsinn angetrieben.

Das Modell vergleicht zwei ausgewählte Lagen. Es ist keine vollständige Bewegungssimulation. Während der Drehung verändern sich die Hebelarme und damit das Drehmoment. Die gestrichelte Linie zwischen den Querschnitten dient nur zur Orientierung.

Lernschritt 5

Warum braucht der Motor den richtigen Umschaltzeitpunkt?

Bei einer einzelnen einfachen Spule gibt es Lagen, in denen das magnetische Drehmoment null wird. Die magnetische Ausrichtung der Spule ist dann mit dem äußeren Feld ausgerichtet; die Kraftwirkungslinien liefern keine Drehwirkung um die Achse. Diese Lage wird im Schulmodell oft Totpunkt genannt.

Der Kommutator schaltet die Stromrichtung im passenden Bereich um diese Lage um. Eine bereits laufende Spule kann durch ihre Trägheit darüber hinwegdrehen. In einer ungünstigen Startlage kann ein Modell mit nur einer Spule aber nicht von selbst anlaufen.

Praktische Motoren besitzen deshalb häufig mehrere geeignet angeordnete Wicklungen und mehrere Kommutatorsegmente. Dadurch wird die Drehwirkung gleichmäßiger und das Anlaufen zuverlässiger.

Der Kommutator ist nicht dasselbe wie zwei durchgehende Schleifringe. Schleifringe halten jeweils die Verbindung zu demselben Spulenende aufrecht. Der geteilte Kommutator sorgt für den regelmäßigen Wechsel der Zuordnung.

Lernschritt 6

Wie lässt sich die Drehrichtung umkehren?

Bei unserem Permanentmagnet-Gleichstrommotor kehrt ein Tausch der Quellenpole die Stromrichtung in der Rotorspule um. Weil das äußere Feld gleich bleibt, kehren sich Kräfte und Antriebsmoment um. Der Motor wird im entgegengesetzten Drehsinn angetrieben.

Auch ein Umdrehen nur des äußeren Magnetfeldes kehrt die Drehwirkung um. Werden dagegen Stromrichtung und äußeres Feld gleichzeitig umgekehrt, bleibt die Richtung des Drehmoments gleich.

Diese Bedingung ist wichtig bei Motoren, deren Statorfeld ebenfalls durch Strom erzeugt wird. Eine allgemeine Aussage „Anschlüsse tauschen dreht jeden Motor um“ wäre falsch. Zuerst muss klar sein, welche Ströme und Felder sich tatsächlich ändern.

Lernschritt 7

Leistung und Wirkungsgrad am Motor berechnen

Ein Gleichstrommotor wird bei konstanten 6 V betrieben und nimmt 0,50 A auf. Seine elektrische Eingangsleistung beträgt:

P_el = U · I = 6 V · 0,50 A = 3,0 W

Am betrachteten Betriebspunkt beträgt der Wirkungsgrad 60 %. Dann liefert er mechanisch:

P_mech = η · P_el = 0,60 · 3,0 W = 1,8 W

Im stationären Beispiel werden 1,2 W anderweitig umgesetzt, vor allem in Wärme und durch Reibung. In 10 s gibt der Motor 1,8 W · 10 s = 18 J mechanische Energie ab.

Die Stromaufnahme bleibt in einem realen Motor nicht für alle Lasten gleich. Beim Drehen entsteht eine Gegenspannung durch Induktion. Wird der Rotor blockiert, fällt diese Gegenspannung weg; ein großer Strom kann zu starker Erwärmung führen. Einen Motor deshalb nicht als vermeintlich harmlosen Versuch festhalten.

Die Begriffe Leistung und Drehmoment sind verschieden. Ein hohes Drehmoment ist nicht allein schon eine hohe mechanische Leistung; dazu gehört auch die Drehgeschwindigkeit. Im Stillstand kann ein Motor ein Drehmoment ausüben, ohne über eine drehende Welle mechanische Leistung abzugeben.

Lernschritt 8

Motor und Generator auseinanderhalten

Beim Motor wird elektrische Energie zugeführt und mechanische Arbeit abgegeben. Beim Generator wird mechanische Arbeit zugeführt und elektrische Energie abgegeben. Beide nutzen Zusammenhänge zwischen Strom, Magnetfeld, Kräften und Induktion.

Ein Motor dreht nicht, weil Elektronen wie kleine Kugeln mechanisch gegen den Rotor schlagen. Das Drehmoment entsteht durch die magnetischen Kräfte und die räumliche Anordnung der stromdurchflossenen Leiter.

Praktische Versuche nur angeleitet mit geeigneten Schulmotoren, passenden Kleinspannungsquellen und frei beweglicher Welle. Keine Steckdosen verwenden, Leitungen nicht kurzschließen und zulässige Ströme beachten.

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