Wie funktioniert ein Elektromotor?

Elektromotor

Elektromotoren finden in vielen Bereichen Verwendung und sind deshalb in unserem beruflichen und privaten Alltag allgegenwärtig und nicht wegzudenken. Sie sind älter als Benzin- und Dieselmotoren und zeichnen sich durch einen deutlich besseren Wirkungsgrad aus. Doch was ist ein Elektromotor überhaupt, wie funktioniert er und wo wird er eingesetzt?

Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie

Mit Hilfe eines Elektromotors wird elektrische in mechanische Energie umgewandelt. Tatsächlich wird Energie nie produziert, sondern immer nur von einer Energie in die andere umgewandelt. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass Energie nicht verlorengehen kann. Diese Aussagen basieren auf dem Energieerhaltungssatz, der aus der Physik bekannt ist. Einfache Beispiele für die Umwandlung von Energie sind ein mit Strom betriebener Staubsauger, ein Computer oder ein Küchenmixer. Sie alle funktionieren mit Strom aus der Steckdose, der mit Hilfe eines jeweils in den Geräten enthaltenen Elektromotors die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, und das mit einem Wirkungsgrad von rund 95 Prozent.

Die Funktionsweise eines Elektromotors

Spulen eines ElektromotorsGrundsätzlich beruht die Funktionsweise eines Elektromotors auf dem Funktionsprinzip des Elektromagnetismus. Diese physikalische Eigenschaft wirkt sich beispielsweise bei einem Draht, durch den elektrischer Strom fließt, dergestalt aus, dass sich um ihn ein Magnetfeld aufbaut. Dieses Prinzip wird auf einen Elektromotor übertragen, der aus zwei Elektromagneten besteht. Für die Umwandlung der Energie werden ein Elektromagnet und ein Permanentmagnet benötigt. Fließt nun elektrischer Strom durch eine als Elektromagnet fungierende Drahtschleife entsteht ein Elektromagnetfeld, das im Feld des Permanentmagneten liegt. Es handelt sich dabei um zwei Magneten, die sich gegenseitig beeinflussen. Der Nordpol der Drahtschleife wird vom Südpol des Permanentmagneten angezogen und dessen Nordpol vom Südpol der Drahtschleife. Auf diese Weise wird die Drahtschleife in eine Drehbewegung versetzt, die allerdings dann zum Stillstand käme, wenn die gleichen Pole von Drahtschleife und Permanentmagnet gegenüberliegen. Um diesen sogenannten Totpunkt zu überwinden wird genau in diesem Punkt blitzschnell die Stromrichtung geändert, was mit Hilfe eines Kommutators geschieht. Gleichzeitig mit dem Wechsel der Stromrichtung werden auch die Magnetpole der Drahtschleife vertauscht, sodass sich plötzlich Pole gegenüberliegen, die sich abstoßen, wodurch die Schleife ihre Drehung fortsetzen kann. Mit jedem erneuten Erreichen des Totpunktes wiederholt sich der Wechsel der Pole. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder aufs Neue, sodass das Spiel zwischen Anziehung und Abstoßen die Drahtschleife in der Drehbewegung und in einer gleichmäßigen Rotation hält. Damit dieses einfachste Modell eines Elektromotors in der Praxis auch tatsächlich funktioniert wird die einzelne Drahtschleife durch eine Vielzahl von Drahtschleifen in Form einer Spule ersetzt, die sich im Feld eines Dauermagneten dreht.

Die verschiedenen Arten von Elektromotoren

ElektromotorEs werden verschiedene Arten von Elektromotoren unterschieden, unter anderem Gleichstrommotoren sowie Drehstrom- und Wechselstrommotoren. Die Funktionsweise von Gleichstrommotoren findet ihre Kraft darin, dass sich Gegenpole anziehen und gleiche Pole abstoßen. Gleichstrommotoren werden aufgrund ihrer genauen Drehzahlen, ihrer Laufruhe sowie kurzen Abbremszeiten bevorzugt in Fahrzeugen aller Art und in der Industrie verwendet. Sie zeichnen sich aus durch eine kompakte Bauweise und sind deshalb sehr robust. Anfällig für Verschleiß sind indes die Kontakte, auch Bürsten genannt. Der Grund liegt in dem verwendeten Material, das ein guter elektrischer Leiter sein muss und deshalb leicht abreibt, beispielsweise kohlehaltige Materialien. Eine mögliche Alternative sind Gleichstrommotoren, bei denen auf Bürsten verzichtet wird und bei denen ein elektrischer Kommutator eingesetzt wird. Wie der Name sagt werden Drehstrommotoren mit Drehstrom betrieben, wobei das Drehfeld durch drei um 120 Grad phasenverschobene Wechselspannungen erzeugt wird. Bei einem mit Wechselstrom betriebenen Motor kann auf einen Kommutator vollständig verzichtet werden unter der Voraussetzung, dass die Umdrehungszahl sich dem Rhythmus des Wechselstromes anpasst.

Die Einsatzbereiche von Elektromotoren

Elektroauto der LadestationDer wichtigste Einsatzbereich von Elektromotoren ist die Industrie, gefolgt von mobilen Einsatzzwecken. Hier sind es vor allem Elektromotoren im Schienenverkehr, die seit Mitte der 60er-Jahre in Hochleistungslokomotiven eingebaut wurden. Heute ist der Schienenverkehr ohne den Einsatz von Elektromotoren nicht mehr denkbar. Auch Hochgeschwindigkeitszüge wie der ICE laufen mit Elektromotoren. Die Rohstoffverknappung und das absehbare Ende der Ölförderung zwingt auch die Automobilindustrie zum Umdenken. Sie ist ohnehin die Branche, in der das größte Wachstumspotenzial für Elektromotoren und der Wachstumsmarkt für das 21. Jahrhundert schlechthin gesehen werden, auch wenn Elektroautos aktuell noch immer eher die Ausnahme sind. Elektroautos werden angetrieben von asynchronen Drehstrommotoren, die heute die am meisten verwendeten Elektromotoren sind. Ein Problem von Elektromotoren bei Autos ist die Frage der Energiespeicherung, die noch nicht zufriedenstellend und abschließend gelöst werden konnte. So kommt es auch, dass die Zahl der Tankstellen für Elektrofahrzeuge in Deutschland noch sehr gering ist. Doch die Mehrzahl der großen Automobilhersteller hat bereits mit Elektromotoren angetriebene Kleinserien aufgelegt, was den Schluss zulässt, dass die Massenproduktion bevorsteht und sich dadurch auch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Tankstellen verdichtet.

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