Motor / Elektromotor

Das Kürzel SEW im Namen SEW-EURODRIVE steht für Süddeutsche Elektro­mo­to­ren­werke. Nach wie vor sind Elektromotoren verschiedenster Bauart die Basis unserer Antriebstechnik: Ob Energiesparmotoren, Hygienic- oder Explo­sions­schutz­ausfüh­rung, Linearmotoren oder Elektrozylinder, Ihre passende Motor-Lösung ist sicher dabei.

Was ist ein Elektromotor?

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.

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Motorgehäuse mit Stator
Motorgehäuse mit Stator
Motorgehäuse mit Stator

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).

Schnittmodell eines Motors auf schwarzem Hintergrund
Schnittmodell eines Motors
Schnittmodell eines Motors

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.

Welche Arten Elektromotoren gibt es?

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.


Gleichstrommotoren

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.


Drehstrom-Asynchronmotoren

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.


Drehstrom-Synchronmotoren

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.


Linearmotoren

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.

Wer hat den Elektromotor erfunden?

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:

  • 1800 konstruierte der italienische Professor der Physik Alessandro Volta die nach ihm benannte Voltasche Säule. Diese konnte kontinuierlich Strom erzeugen – somit die erste funktionierende Batterie bestehend aus einem Stapel übereinandergeschichteter Kupfer- und Zinkplatten.
  • 1820: Die physikalische Grundlage für den Elektromotor ist der Elektromagnetismus, dessen Entdeckung auf den dänischen Physiker, Chemiker und Naturphilosoph Christian Ørsted zurückgeht. Er fand heraus, dass sich um einen von Strom umflossenen Leiter ein Magnetfeld bildet.
  • 1821: Der englische Naturforscher Michael Faraday entdeckt wenig später die elektromagnetische Rotation. Mit Hilfe eines Dauermagneten versetzte er ein stromdurchflossener Leiter in eine Drehbewegung und schuf damit die Basis für die Entwicklung des Elektromotors.
  • 1822: Auf den englischen Mathematiker und Physiker Peter Barlow geht das nach ihm benannte Barlow’sche Rad zurück. Ihm gelang es, ein Gerät mittels Gleichstrom in eine Drehbewegung zu versetzen.
  • 1831 führte Michael Faraday zehn Jahre nach seiner Entdeckung der elektromagnetischen Rotation erfolgreich ein Experiment durch, bei dem er mit einem veränderlichen Magnetfeld elektrischen Strom erzeugen konnte. Die Erfindung der elektromagnetischen Induktion geht damit auf ihn zurück und schuf die Voraussetzung für die Entwicklung des Stromgenerators.
  • 1831 unabhängig von Faraday kommt in Amerika der Physiker Joseph Henry mit seiner elektromagnetisch angetriebenen oszillierenden Wippe der elektromagnetischen Induktion auf die Spur.
  • 1834 entwickelte der preußisch-russische Physiker und Ingenieur Moritz Hermann von Jacobi den ersten für den Einsatz in der realen Praxis tauglichen Elektromotor und baute damit das erste elektrisch betriebene Boot, das er in den nächsten Jahren immer weiter verbesserte.
  • 1837 erhielt der amerikanische Goldschmied und Erfinder Thomas Davenport das erste Patent für einen von ihm in 1934 entwickelten Gleichstrom-Elektromotor, den er als Antrieb für sein Modell einer elektrischen Lokomotive nutzte.
  • 1866 erfindet der deutsche Industrielle Werner Siemens einen elektrischen Generator nach dem Prinzip der Dynamomaschine, auf dessen Grundlage der späterer Gleichstrommotor hervorging.
  • 1888: Auf den im damaligen Kaisertum Österreich und heutigen Kroatien geborenen und nach Amerika ausgewanderten Nicola Tesla gehen zahlreiche Patente zurück. Darunter mehrere, die sich mit mehrphasigem Wechselstrom befassen.
  • 1888: Nahezu zeitgleich aber unabhängig von Tesla befasste sich auch der italienische Ingenieur und Professor der Physik Galileo Ferraris mit der Wechsel- und Drehstromtechnik.
  • 1889 forscht der russischstämmige AEG-Chefkonstrukteur Michail von Dolivo-Dobrowolsky auf den Erkenntnissen von Tesla und Ferraris weiter und entwirft den ersten dreiphasigen Käfigläufermotor. Damit läutete er den Siegeszug des heute in der Industrie weit verbreiteten Asynchron-Drehstrommotor ein und ebnete den Weg für den Aufbau der ersten Stromversorgungnetze.

Unser Angebot: Für jede Anwendung der passende Elektromotor aus unserem Baukasten

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.

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