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Der Elektromotor

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Team Digital
Der Elektromotor
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Grundlagen zum Thema Der Elektromotor

Inhalt

Nach dem Schauen dieses Videos wirst du in der Lage sein zu erklären, wie ein Elektromotor funktioniert.

Motorprinzip und Generatorprinzip

Zunächst lernst du, was das Motorprinzip ist und wie ein Elektromotor aufgebaut ist. Anschließend erfährst du, wie eine flüssig laufende Rotation des Motors zu Stande kommt und was dafür notwendig ist. Abschließend werden verschiedene Bau- und Betriebsarten von Elektromotoren betrachtet.

Gleichstrommotor

Lerne etwas über E-Autos und ihre Vorgeschichte.

Das Video beinhaltet Schlüsselbegriffe, Bezeichnungen und Fachbegriffe wie Elektromotor, Gleichstrommotor, Wechselstrommotor, Allstrommotor, Motorprinzip, Generatorprinzip, Energieumwandlung, elektrische Energie, Bewegungsenergie, Gleichspannung, Wechselspannung, Elektromagnet, Spule, Eisenkern, Kommutator, Polwender, Schleifkontakt, Isolationsschicht, Doppel-T-Anker, Dreifachanker, Trommelanker, Rotor, Stator, Totpunkt und physikalische Stromrichtung.

Bevor du dieses Video schaust, solltest du bereits wissen, was ein Elektromagnet ist und was es mit Energieumwandlungen auf sich hat. Außerdem solltest du grundlegendes Wissen zu magnetischen Feldern und elektrischen Stromkreisen haben.

Nach diesem Video wirst du darauf vorbereitet sein, verschiedene elektromagnetische Bauteile einzuordnen und zu vergleichen und mehr über das Prinzip der Induktion zu lernen.

Der Elektromotor

Elektromotoren spielen in vielen Bereichen unseres Lebens eine wichtige Rolle. Sie sind in vielen Elektrogeräten wie zum Beispiel Festplatten oder Blu-Ray-Playern verbaut. Und auch bei Automobilen kommen immer häufiger Elektromotoren zum Einsatz. Aber wie funktioniert so ein Elektromotor überhaupt?

Der Elektromotor – Aufbau und Funktionsweise

Das physikalische Funktionsprinzip eines Elektromotors basiert auf der elektromagnetischen Induktion und der Umwandlung von elektrischer in mechanische Leistung – man kann einen Motor daher als Energiewandler bezeichnen. Als einfachste Umsetzung dieses Prinzips kann man sich einen Stab aus Metall vorstellen. Dieser ist von einer Spule umwickelt und befindet sich drehbar gelagert zwischen den zwei Polen eines Permanentmagneten. Fließt ein Strom durch die Spule, baut sich ein Magnetfeld in und um die Spule herum auf. Der umwickelte Metallstab kann nun also als Elektromagnet betrachtet werden. Je nach Polung stoßen sich dann die gleichnamigen Pole des Elektromagneten und des Permanentmagneten ab oder die verschiedennamigen Pole ziehen sich an. So werden Spule und Metallstab in Drehung versetzt. Allerdings endet diese Bewegung, sobald sich Spule und Metallstab entlang der Feldlinien des Permanentmagneten ausgerichtet haben – denn dann liegen sich die unterschiedlichen Pole gegenüber und die anziehenden magnetischen Kräfte halten den Stab in Position. Dieses Problem umgeht der Elektromotor durch spezielle Bauteile.

Bestandteile eines Elektromotors

Ein Elektromotor besteht aus einer beweglichen Baugruppe und einer unbeweglichen Baugruppe. Als unbewegliche Baugruppe bezeichnet man den feststehenden Magneten, also den Permanentmagneten in unserer Beschreibung. Man bezeichnet ihn manchmal auch als Stator.

Der bewegliche Teil, der insgesamt auch als Rotator bezeichnet wird, besteht aus dem Eisenkern, der auch Anker genannt wird, der Spule, die ihn umwickelt und dem Kommutator. Der Kommutator ist das entscheidende Bauelement, das verhindert, dass der Motor stehen bleibt. Er besteht aus einem Schleifring, der aus zwei Segmenten zusammengesetzt ist, die mit einer isolierenden Schicht voneinander getrennt sind. Außerdem hat er zwei Schleifkontakte, die je eines der Segmente mit den Polen einer Spannungsquelle verbinden. Dreht sich der Schleifring, liegen irgendwann die Schleifkontakte genau auf der isolierenden Schicht und keines der Segmente ist mit der Spannungsquelle verbunden. Dreht sich der Ring im Anschluss ein paar Grad weiter, sind die Segmente wieder mit der Spannungsquelle verbunden, allerdings in umgekehrter Polung.

Schleifring, Funktion

Der Kommutator ist so mit der Spule des Rotators verbunden, dass gerade dann kein Strom durch die Spule fließt, wenn der Rotator genau entlang der Feldlinien des Stators ausgerichtet ist. Die Spule bildet demzufolge in dieser Position kein Magnetfeld aus, das den Rotator festhalten würde. Aus diesem Grund dreht sich der Rotator aufgrund seiner Trägheit weiter, bis die Spule in umgekehrter Richtung mit der Spannungsquelle verbunden ist. Dann ist das Magnetfeld der Spule gerade so gepolt, dass seine Pole gleichnamig zu denen des Stators sind und sie sich abstoßen. Der Rotator dreht sich weiter und der Elektromotor läuft.

Elektromotor-Physik, physikalische Prinzipien des Motors

Elektromotor – Arten

Es gibt verschiedene Arten, wie Motoren aufgebaut sein können. Der Aufbau, den wir als Beispiel beschrieben haben, ist eine der einfachsten Varianten. Moderne Elektromotoren haben beispielsweise häufig mehr als einen Anker.

Der Elektromotor in unserem Beispiel wird mit Gleichstrom betrieben. Es gibt aber auch Elektromotoren, die Wechselstrom nutzen. Bei solchen Wechselstrommotoren gibt es keinen Kommutator, der Anker ist ein Magnet mit immer gleicher Polung. Dafür besteht der Stator aus einem Elektromagneten, an dem eine Wechselspannung anliegt. So wird er ständig umgepolt und übernimmt die Aufgabe des Kommutators.

Motor – technische Anwendungen

Elektromotoren finden in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung. Sie werden in Eisenbahnen und Straßenbahnen, aber beispielsweise auch in Fabriken eingesetzt. Aber auch in vielen Haushaltsgeräten, Spielzeugen und Robotern finden sich Elektromotoren. In einem DVD-Spieler sind beispielsweise mehrere Elektromotoren verbaut. Mittlerweile werden sie auch vermehrt in Autos eingesetzt, um den Verbrennermotor zu ersetzen.

Übrigens können Autos mit Elektromotor einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistung erreichen.

Transkript 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.

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