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Wie setzt und hält man Dinge in Bewegung ganz ohne Muskelkraft? Während mechanische Energie bei einer Dampfmaschine mit Hilfe von heißem Wasserdampf oder vielmehr Dampfdruck entsteht, nutzt ein Elektromotor elektrische Energie als Quelle. Man bezeichnet ihn deswegen auch als elektromechanischen Wandler.
Das Gegenstück zum Elektromotor ist der ähnlich aufgebaute Generator. Er transformiert mechanische Bewegungsleistung in elektrische Leistung. Physikalische Grundlage für beide ist die elektromagnetische Induktion. Im Generator wird Strom induziert und es entsteht elektrische Energie, wenn sich ein Leiter in einem beweglichen Magnetfeld befindet. Im Elektromotor hingegen induziert ein stromdurchflossener Leiter Magnetfelder. Deren wechselseitige Anziehungs- und Abstoßungskräfte sind die Basis für die Erzeugung von Bewegung.
Grundsätzlich besteht das Innenleben eines Elektromotors aus dem Stator und dem Rotor. Die Bezeichnung „Stator“ ist vom lateinischen Verb „stare“ = „stillstehen“ abgeleitet. Es handelt sich hierbei um das unbewegliche Bauteil eines Elektromotors. Er ist fest mit dem ebenfalls unbeweglichen Gehäuse verbunden. Im Gegensatz dazu sitzt der Rotor auf der Motorwelle und ist beweglich (drehbar).
Bei einem Drehstrommotor enthält der Stator das sogenannte Blechpaket, das mit Kupferdrähten umwickelt ist. Diese Wicklung fungiert als Spule und erzeugt, wenn Strom durch fließt, ein sich drehendes Magnetfeld. Durch dieses vom Stator vorgegebene Magnetfeld, wird im Rotor ein Strom induziert, der wiederum ein sich elektromagnetisches Feld um den Rotor erzeugt. Das bewirkt, dass sich der Rotor samt Motorwelle dreht und dem Drehfeld des Stators folgt.
Aufgabe des Elektromotors ist es, durch die entstehende Drehbewegung ein Getriebe (Drehmoment- und Drehzahlwandler) oder als Netzmotor direkt eine Applikation anzutreiben.
Am Anfang aller Erfindungen stand der Gleichstrommotor. Heutzutage sind jedoch die Drehstrommotoren unterschiedlicher Bauform die gebräuchlichsten Elektromotoren in der Industrie. Allen gemeinsam ist die resultierende Drehbewegung der Motorachse. Die Funktionsweise von Drehstrommotoren baut auf dem elektromagnetischen Wirkprinzip des Gleichstrommotors auf.
Wie bei den meisten Elektromotoren setzt sich der Gleichstrommotor aus einem feststehenden Teil, dem Stator, und aus einer drehbaren Komponente, dem Rotor, zusammen. Der Stator besteht aus entweder einem Elektromagneten, mit dem ein Magnetfeld induziert wird, oder aus Permanentmagneten, die dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugen. Innerhalb dieses Stators befindet sich ein Rotor, der auch als Anker bezeichnet wird und von einer Spule umwickelt ist. Wird die Spule an eine Gleichstromquelle (eine Batterie, einen Akkumulator oder ein Gleichspannungs-Netzteil) angeschlossen, bildet sie ein Magnetfeld aus und der Eisenkern des Rotors wird zum Elektromagneten. Der Rotor ist drehbar gelagert und richtet sich so aus, dass sich die anziehenden, also ungleichen Pole des Magnetfelds gegenüber stehen – der Nordpol des Ankers gegenüber dem Südpol des Stators umgekehrt.
Um den Rotor nun in eine kontinuierliche Drehbewegung zu versetzen, muss die magnetische Ausrichtung immer wieder umgepolt werden. Das geschieht durch Änderung der Stromrichtung in der Spule. Dazu verfügt der Motor über einen sogenannten Kommutator. An diesen sind die beiden Versorgungs-Kontakte angeschlossen und er übernimmt die Aufgabe der Umpolung. Die wechselnden Anziehungs- und Abstoßungskräfte sorgen dafür, dass sich der Anker / der Rotor immer weiter dreht.
Gleichstrommotoren werden überwiegend in Anwendungen mit kleinen Leistungen eingesetzt. Dazu gehören kleinere Werkzeuge, Hebezeuge, Aufzüge oder elektrische Fahrzeuge.
Statt eines Gleichstroms benötigt ein Drehstrommotor Drehstrom, sprich dreiphasigen Wechselstrom. Beim Asynchronmotor ist der Rotor ein sogenannter Kurzschluss-Käfigläufer. Die Drehung ergibt sich aus der elektromagnetischen Induktion dieses Rotors. Im Stator sind dazu je Phase des Drehstroms um 120° versetzte (dreiecksförmig angeordnete) Wicklungen (Spulen) angeordnet. Beim Anschluss an den Drehstrom bauen diese Spulen jeweils ein Magnetfeld auf, das sich im Rhythmus der zeitlich versetzten Netzfrequenz dreht. Der elektromagnetisch induzierte Rotor wird von diesen Magnetfeldern mitgenommen und dreht sich. Ein Kommutator wie beim Gleichstrommotor wird auf diese Weise nicht benötigt.
Asynchronmotoren werden auch Induktionsmotoren genannt, da sie nur über die elektromagnetisch induzierte Spannung funktionieren. Sie laufen asynchron, weil die Umfangsgeschwindigkeit des elektromagnetisch induzierten Rotors nie die Drehgeschwindigkeit des Magnetfelds (Drehfelds) erreicht. Der Wirkungsgrad der Asynchron-Drehstrommotoren ist durch diesen Schlupf geringer als bei einem Gleichstrommotor.
Bei Synchronmotoren ist der Rotor statt mit Wicklungen oder Leiterstäben mit Dauermagneten bestückt. Auf diese Weise kann die elektromagnetische Induktion des Rotors entfallen und der Rotor dreht sich ohne Schlupf synchron mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit wie der des Stator-Magnetfeldes. Wirkungsgrad, Leistungsdichte und die möglichen Drehzahlen sind beim Synchronmotor somit deutlich höher als beim Asynchronmotor. Allerdings ist der Aufbau von Synchronmotoren auch deutlich komplexer und aufwändiger.
Neben den in der Industrie überwiegend verbreiteten rotierenden Maschinen werden auch Antriebe für Bewegungen auf geradlinigen oder gekurvten Bahnen benötigt. Solche Bewegungsprofile kommen vor allem in Werkzeugmaschinen sowie Positionier- und Handling-Systemen vor.
Rotierende Elektromotoren können zwar mit Hilfe eines Getriebes ihre Drehbewegung auch in eine geradlinige Bewegung umsetzen, also indirekt herbeiführen. Oft verfügen sie jedoch nicht über die nötige Dynamik, um besonders anspruchsvolle und schnelle „translatorische“ Bewegungen oder Positionierungen zu realisieren.
Hier kommen Linearmotoren ins Spiel, die die translatorische Bewegung direkt erzeugen (Direktantriebe). Ihre Funktionsweise lässt sich von den rotierenden Elektromotoren ableiten. Hierzu stellt man sich einen rotierenden Motor „aufgeklappt“ vor: Der vorher runde Stator wird zum ebenen Fahrweg (Laufbahn oder Schiene), der zurückgelegt wird. Das Magnetfeld bildet sich dann entlang dieser Strecke. Der Läufer, der beim Drehstrommotor dem Rotor entspricht und sich dort im Kreis dreht, wird beim Linearmotor als sogenannter Schlitten oder Translator vom längs bewegten Magnetfeld des Stators in gerader Linie oder in Kurven über den Fahrweg gezogen.
Die Erfindung des Elektromotors lässt sich nicht auf eine einzelne Person zurückführen. In seine Entdeckung flossen die Forschungen mehrerer Tüftler ein. Im 19. Jahrhundert wuchs das Interesse an der Elektrotechnik immer mehr und beflügelte Forscher weltweit. Schlag auf Schlag stellten sich neue Erfindungen ein.
Da die ersten Elektromotoren auf die Stromversorgung durch Zink-Batterien angewiesen waren, war es noch ein weiter Weg, bis sie den vorherrschenden Dampfmaschinen ernsthaft Konkurrenz machen konnten. Mit der Entwicklung der ersten Stromgeneratoren änderte sich das.
Aber auch hier gab es Einschränkungen. Der von den Generatoren erzeugte Gleichstrom ließ sich nicht über weite Strecken transportieren. Erst mit der Einführung von Wechsel- und Drehstrom, die ohne große Verluste auch über weite Strecken bereitgestellt werden konnten sowie mit der Erfindung des Drehstrommotors kam der Durchbruch.
Hier ein kleiner, nicht vollständiger Einblick in die historischen Daten und Fakten:
Mit Elektromotoren hat alles angefangen. Elektromotoren sind nach wie vor eines unserer Kerngeschäfte – zumeist in Form von Getriebemotoren und in Verbindung mit zur Applikation passenden Frequenzumrichtern. Als ein weltweit führender Hersteller für Antriebs- und Automatisierungslösungen halten wir für Sie ein vielfältiges Angebot an asynchronen bzw. synchronen Motoren bereit. Ob Energiesparmotoren, Linearmotoren, Elektrozylinder, Motoren in Hygienic- oder Explosionsschutzausführung, Kleinspannungsantriebe etc. – die für Sie optimale Elektromotor-Lösung ist sicher dabei. Umfangreiches Zubehör wie Bremsen, Einbaugeber, weitere Optionen komplettieren unser Motoren-Programm.