Der Elektromotor

„Elektromotor“ – das klingt so modern und fortschrittlich! Da denkt man an E-Autos, Drohnen und E-Scooter. Dabei sind Elektromotoren eigentlich 'ne ganz alte Platte. Schon seit über hundert Jahren gibt es sie – in elektrischen Straßenbahnen, Waschmaschinen, Nähmaschinen und ja, auch Autos. Überall funktioniert „Der Elektromotor“ nach dem gleichen Prinzip. Wie genau, das lernst du in diesem Video. Ein Elektromotor wandelt „elektrische Energie“ in „Bewegungsenergie“ um. Das nennt man das „Motorprinzip“. Es beschreibt genau den entgegengesetzten Vorgang zum „Generatorprinzip“, das beispielsweise in einem Kraftwerk verfolgt wird: Hier wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Die beiden Fälle stellen damit zwei Seiten einer Medaille dar; und in beiden spielen Magnetfelder eine entscheidende Rolle. Sehen wir uns das mal beim „Motor“ genauer an. Da gibt es den „Stator“, der im einfachsten Fall ein großer Permanentmagnet in Hufeisenform ist. Der heißt so, weil er „statisch“ ist, sich also nicht bewegt. Bewegen soll sich allerdings der „Rotor“. Das ist ein „Elektromagnet“, also eine Drahtspule mit Eisenkern, die drehbar gelagert ist. Die Bewegung soll also eine Rotation werden. Das ist ja auch nützlich, wenn sich beispielsweise die Reifen eines „E-Autos“ drehen sollen. Aber was sorgt nun dafür, dass der Rotor sich dreht? Es wird eine „Spannung“ angelegt, sodass Strom fließt und elektrische Energie zugeführt wird. Dadurch wird um den Spulendraht ein magnetisches Feld erzeugt, sodass sich im Eisenkern ein magnetischer Nord- und Südpol ausbildet. Diese werden nun von den Polen des Permanentmagneten angezogen, beziehungsweise abgestoßen – der Rotor dreht sich. Das bleibt allerdings nur ein kurzes Vergnügen, denn sobald der Eisenkern waagerecht steht, tut sich nichts mehr. Jetzt liegen sich die ungleichnamigen Pole nämlich genau gegenüber und die magnetische Anziehung hält den Rotor fest. Die Spule muss umgepolt werden, damit es weitergehen kann. Das erledigt der „Kommutator“, oder auch „Polwender“. Das ist ein kleiner, zweigeteilter Zylinder, der an der Drehachse der Spule sitzt – und zwar dort, wo diese mit der Stromzufuhr verbunden ist. Die beiden Zylinderhälften sind elektrisch isoliert voneinander. Während sich die Spule dreht, bleibt eine Hälfte über einen sogenannten „Schleifkontakt“ mit dem Plus-Pol der Stromquelle in Verbindung, während die andere mit dem Minus-Pol verbunden ist. Entsprechend der „Stromrichtung“ im Spulendraht bilden sich im Eisenkern die magnetischen Pole „Nord“ und „Süd“. Erreicht der Rotor nun die Gleichgewichtslage im Magnetfeld des Permanentmagneten, den sogenannten „Totpunkt“, fließt kein Strom mehr und das Magnetfeld der Spule verschwindet. Das wird allerdings nur kurz der Fall sein, denn durch die Trägheit des Eisenkerns steht der Rotor nicht sofort still, sondern schwingt ein kleines Stück weiter. Wie du siehst, müssen jetzt die Zylinderhälften des Kommutators ihre Vorzeichen tauschen, denn die Stromzufuhr steht nun mit der jeweils anderen Hälfte in Verbindung. Mit der Ladung des Kommutators ändern sich auch die Pole des neu aufgebauten Magnetfeldes, da der Strom in der Spule seine Richtung geändert hat. Nun stehen sich Gleichnamige Pole von Stator und Rotor gegenüber. Diese stoßen sich nun ab und die Rotation setzt sich fort. Bei jedem Durchlaufen des Totpunkts wird nun das Magnetfeld des Rotors durch den Kommutator umgepolt, und die Rotation läuft flüssig weiter. Es gibt aber einen Nachteil: Wenn der Rotor im Totpunkt stehen bleibt oder abgestellt wird, muss er erst von außen angestoßen werden, bevor die Bewegung elektrisch fortgesetzt werden kann. Dieses Problem kann aber umgangen werden: Der Aufbau des Rotors kann so verändert werden, dass es gar keine eindeutige Gleichgewichtslage gibt – und damit keinen Totpunkt. Als Alternative zum „Doppel-T-Anker“, wie der einfache Rotor auch genannt wird, wäre zum Beispiel ein „Dreifachanker“ eine Möglichkeit, bei dem sich die Pole nie symmetrisch gegenüberliegen. Treibt man das Spiel mit mehreren Segmenten weiter, landet man beim „Trommelanker“. Außerdem kann der Elektromotor statt mit Gleichstrom auch mit Wechselstrom betrieben werden. So wird das Magnetfeld der Spule ganz ohne Kommutator automatisch umgepolt, der Frequenz der Wechselspannung folgend. In einer weiteren Variante kann auch vollständig auf Permanentmagnete verzichtet werden. Stattdessen können Elektro-Magnete als Stator verwendet werden. Diese können dann mit der Spannungsquelle der Rotor-Spule verbunden werden, wenn ein Kommutator genutzt wird. So ist es ganz egal, ob der Motor mit Gleichspannung betrieben wird, wobei der „Rotor“ umgepolt wird, oder eine Wechselspannung anliegt, die hier den „Stator“ umpolt. Das nennt man „Allstrommotor“. Alle Arten von Elektromotoren haben den Vorteil, dass die Energieumwandlung sehr effizient stattfindet. Bis zu neunzig Prozent der zugeführten Energie wird in „Bewegungsenergie“ umgewandelt. Bei Verbrennungsmotoren sind es allerhöchstens fünfzig Prozent – der Rest wird als wärme abgegeben. Aber der Strom muss natürlich auch erstmal verfügbar sein! Was denkst du, wann wird wohl die Mehrzahl der Autos mit Elektromotoren fahren? Schreib es in die Kommentare! Vorher fassen wir noch kurz zusammen: Der „Elektromotor“ ist das Gegenstück zum Generator: Er wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Das Motorprinzip basiert auf einem Elektromagneten, der sich als Rotor im Magnetfeld eines festen Stators drehen kann. Es gibt Gleichstrommotoren mit Kommutator, Wechselstrommotoren, und Allstrommotoren. Elektromotoren sind sehr „energieeffizient“. Also wenn erst mal genügend Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht, werden sich solche Stinker wohl gar nicht mehr lohnen.