mini|Elektromotor (Schnittmodell) Ein Elektromotor ist ein elektromechanischer Wandler (elektrische Maschine), der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. In herkömmlichen Elektromotoren erzeugen stromdurchflossene Leiterspulen Magnetfelder, deren gegenseitige Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Bewegung umgesetzt werden. Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum sehr ähnlich aufgebauten Generator, der Bewegungsleistung in elektrische Leistung umwandelt. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch für translatorische Bewegungen gebaut sein (Linearantrieb). Elektromotoren werden zum Antrieb vieler Gerätschaften, Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge eingesetzt.

Geschichte Der Benediktinermönch Andreas (Andrew) Gordon experimentierte bis zu seinem Tod 1751 mit Elektrizität und erfand einen horizontal drehenden Metallstern, der sich bei elektrostatischer Entladung dreht; Stromversorgung war eine Leidener Flasche. Als Professor an der Universität Erfurt wurden seine Veröffentlichungen unter Gelehrten beachtet und verbreitet, mitunter jedoch ohne den Erfinder zu nennen.

1820 entdeckte der dänische Physiker und Philosoph Hans Christian Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms, ein grundlegendes Phänomen des Elektromagnetismus. Ein Jahr später veröffentlichte Michael Faraday seine Arbeitsergebnisse über „elektromagnetische Rotation“. Er konstruierte eine Vorrichtung, bei der ein elektrischer Leiter um einen festen Magneten rotierte und im Gegenexperiment ein beweglicher Magnet um einen festen Leiter. 1822 entwickelte Peter Barlow das nach ihm benannte Barlow-Rad. Der britische Wissenschaftler William Sturgeon erfand 1832 einen weiteren Motorvorläufer. Auf dem europäischen Kontinent wirkten Ányos Jedlik (1827) und Hermann Jacobi an der Weiterentwicklung des Gleichstrom-Elektromotors. So entwickelte Jacobi bereits 1834 den ersten praxistauglichen Elektromotor in Potsdam und stattete 1838 in Sankt Petersburg ein zwölf Personen fassendes Boot mit dem von ihm entwickelten 220 Watt starken Motor aus, was somit zugleich die erste Anwendung eines Elektromotors in der Praxis darstellte. Auch der US-amerikanische Grobschmied Thomas Davenport entwickelte in Vermont einen Kommutatormotor. Auf sein Design wurde ihm am 25. Februar 1837 ein Patent erteilt.

Damit war um 1837/1838 die Grundlage für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und auch bis zur anwendungstauglichen Arbeitsmaschine entwickelt. Werner von Siemens ließ im Jahre 1866 seine Dynamomaschine patentieren. Sie ermöglichte erstmals eine Erzeugung elektrischer Energie in größerem Umfang. Dies verhalf dem Elektromotor zum Durchbruch für eine praxistaugliche weitverbreitete Anwendung. Daneben gab es zu jener Zeit auch einige technische Entwicklungen von andersartigen Elektromotoren, welche aber letzten Endes keine Bedeutung erlangten. Dazu zählt unter anderem der Egger-Elektromotor, welcher ähnlich wie eine Dampfmaschine aufgebaut ist, und das 1867 entwickelte „Elektrische Kraftrad“ von Johann Kravogl.

Ab etwa 1880 wurden in vielen Staaten Elektronetze und Kraftwerke aufgebaut. In Deutschland war beispielsweise Emil Rathenau mit seiner Allgemeinen Electricitäts-Gesellschaft Vorreiter und in Amerika Thomas Alva Edison. Mit der großflächigen Bereitstellung von elektrischer Energie breitete sich der Elektromotor dann schnell aus. Gemeinsam mit der Chemischen Industrie war diese Elektrifizierung das wichtigste Merkmal der zweiten industriellen Revolution. Die öffentlichen Pferdebahnen wurden durch elektrische Straßenbahnen ersetzt, und im Gewerbe verwendete man nun Elektromotoren anstatt der Dampfmaschine zum Antrieb verschiedenster Arbeitsmaschinen.

Grundprinzip/​Funktionsweise mini|Magnetfeldpolung des Rotors in einem Gleichstrommotor mit Permanentmagnetstator Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Anziehungs- und Abstoßungskräften, die mehrere Magnetfelder aufeinander ausüben (Lorentzkraft). Im üblichen Elektromotor gibt es einen feststehenden Außenteil sowie einen sich darin drehenden Innenteil. Entweder besitzt einer davon Permanentmagneten und der andere elektrische Spulen, oder beide Komponenten besitzen Spulen. Jede stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, dessen Ausrichtung (Nordpol/Südpol) abhängig von der Stromrichtung ist – fließt der Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Spule, so wird auch das Magnetfeld umgedreht. Durch fortwährendes Umschalten der Stromrichtung bzw. passendes „Umpolen“ der Spulen während des Umlaufs wird eine kontinuierliche Drehung des Innenteils erreicht. Begriffe Stator Der feststehende, magnetisch wirkende Teil eines Elektromotors wird Stator genannt. Bei Elektromotoren liegt der Stator meistens außen und ist mit dem Gehäuse verbunden; liegt der Stator innen, so nennt man den Motor „Außenläufer“. Das Stator-Gehäuse ist meist auch der Träger der mechanischen Befestigungselemente. Rotor Der sich bewegende (meistens: rotierende), magnetisch wirkende Teil eines Elektromotors, der die Motorwelle dreht. Er besteht aus der Welle, dem Anker und einer Spule, wenn der Anker kein Permanentmagnet ist. Anker Eisenkern des Rotors, um den die Rotorspule(n) gewickelt ist/sind. Polschuh Schuhform-ähnliche Ausbuchtung des Eisens eines Magnetkerns, die das Magnetfeld an diese Stelle leiten/bündeln soll.

Kommutator Eine Scheibe mit elektrischen Anschlüssen, die Segmente der Scheibe sind; die Scheibe dreht sich mit der Rotorwelle. An den Anschlüssen sind die Spulen angeschlossen; die Kommutatorscheibe polt während eines Umlaufs die Spulen um. Die genaue Funktionsweise ist im nachfolgenden Abschnitt erklärt.

Gleichstrommotor (Kommutatormotor)

mini|200px|Läufer eines Kommutatormotors; Kohlebürsten und Stator sind entfernt

Der (feststehende) Stator kann bei einem Gleichstrommotor ein Dauermagnet mit Polschuhen sein, jedoch ist auch eine Fremderregung über eine Erregerspule anstatt des Dauermagneten möglich. Bei einem Wechselstrom-Kommutatormotor oder auch Universalmotor befindet sich im Stator hingegen immer eine Erregerspule. Wird Strom durch diese Spule geleitet, baut sich das Erregerfeld (Magnetfeld) auf (Ørsted-Prinzip).

Im Inneren des Stators ist ein Rotor, der in den meisten Fällen aus einer Spule mit Eisenkern (dem sogenannten Anker) besteht, der drehbar im Magnetfeld zwischen den Polschuhen des Stators gelagert ist.

Die Stromzuführung für den Anker erfolgt über einen segmentierten Kommutator und Schleifkontakte (Kohlebürsten). Schickt man durch den Rotor Strom, entsteht auch hier ein Magnetfeld, das jetzt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators tritt. Er dreht sich somit um seine eigene Achse und schaltet über den sich mitdrehenden Kommutator immer die passenden Wicklungen in den Stromweg und kann so elektrische Arbeit in mechanische Arbeit umwandeln.

Hätte ein solcher Motor keinen Kommutator, würde sich der Anker so weit drehen, bis das Rotormagnetfeld zum Statorfeld gleichgerichtet ist. Damit er an diesem „toten Punkt“ nicht stehen bleibt, wird der Strom in den Ankerspulen mit Hilfe des Kommutators (auch Stromwender oder Kollektor genannt) bei jedem neuen Segment umgeschaltet. Der Kommutator besteht aus Metallsegmenten, die eine durch schmale Streifen nichtleitenden Materials (Kunststoff, Luft) unterbrochene Zylinder- oder Kreisfläche bilden. An den Segmenten sind die Ankerwicklungen angeschlossen. Am Kommutator liegen, durch Federn angedrückt, meist zwei Kohlebürsten an, die den Strom zuführen. Mit jeder Drehung des Rotors wird die Stromrichtung durch die Ankerwicklungen geändert und es gelangen diejenigen Leiter in das Magnetfeld des Stators, deren Stromfluss so gerichtet ist, dass ein Drehmoment erzeugt wird.

Das Magnetfeld im Rotor steht – relativ zum Stator – fest; der Eisenkern des sich drehenden Ankers muss daher zur Vermeidung von Wirbelströmen aus einem Blechstapel bestehen.

Nach diesem Prinzip können auch Wechselstrommotoren gebaut werden, wenn das Erregerfeld mit dem Wechselstrom ebenfalls seine Polung ändert (Universalmotor). Dann muss auch der Stator aus einem Blechpaket bestehen.

Wechsel- und Drehstrommotoren mini|Zerlegter Asynchron-Drehstrommotor mit Kurzschlussläufer und Leistung von 750 Watt

Bei Wechselstrom kann auch auf einen Kommutator verzichtet werden, wenn die Umdrehungszahl im Rhythmus des Wechselstromes erfolgt; das dann mit umlaufende Magnetfeld des Rotors wird dann erzeugt:

durch vom Erregerfeld induzierte Ströme in einer Kurzschlusswicklung (Asynchronmotor) durch Magnetisierung eines Eisenkernes mit Polen (Reluktanzmotor, Schrittmotor) durch Dauermagnete (Schrittmotor, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, Synchronmotor) durch einen elektrisch erregten Läufer (siehe z. B. Polrad oder Erregersysteme für Synchronmaschinen)

Solche Motoren besitzen daher kein oder ein geringes Anlaufmoment. Sie benötigen eine Anlaufhilfe, können jedoch mit Wechselstrom mit mehr als nur einer Phase auch selbst starten:

Drehstrommotoren werden mit Drehstrom betrieben, der aus drei um 120° phasenverschobenen Wechselspannungen besteht und so ein Drehfeld erzeugt Kondensator- und Spaltpolmotoren erzeugen sich aus einem einphasigen Wechselstrom selbst eine Hilfsphase (ein Drehfeld) zum Anlauf. Schrittmotoren und Reluktanzmotoren werden mit frequenzveränderlichem Wechselstrom und/oder mit mehreren Phasen betrieben, damit sie „im Tritt“ bleiben bzw. keine Schrittverluste auftreten. Synchronmotoren benötigen eine Starthilfe oder schaukeln/schwingen sich von selbst „in Tritt“.

Arten mini|Wicklungen mit Isolations-Bandagen bei einem großen Elektromotor Drehfeld- und Wanderfeld-Maschinen Drehstrommotor Bürstenloser Gleichstrommotor Drehstrom-Asynchronmaschine Schleifringläufermotor Drehstrom-Synchronmaschine (Permanent- oder fremderregt) Kaskadenmaschine Schrittmotor Linearmotor Torquemotor Transversalflussmaschine Wechselstrommotor Kondensatormotor Reluktanzmotor Spaltpolmotor Synchronmotor/Einphasenasynchronmotor

Stromwender- bzw. Kommutator-Maschine Gleichstrommotor Repulsionsmotor elektrisch erregter (fremderregter) Gleichstrommotor Nebenschlussmaschine Reihenschlussmotor Verbundmotor permanent erregter Gleichstrommotor Universalmotor (für Gleich- und Wechselstrom)

Sonstige Es gibt einige Arten von Elektromotoren, die heute keine wirtschaftliche Bedeutung haben. Egger-Elektromotor Kugellagermotor Unipolarmaschine Barlow-Rad Homopolarmotor

Elektrostatische Motoren verwenden statt Magnetfelder elektrische Felder, die von Ladungen erzeugt werden. Aufgrund der hohen benötigten Spannungen und einem niedrigeren Wirkungsgrad sind diese Motoren jedoch nur für kleine Kräfte und Maßstäbe relevant.

Anwendungen mini|Diverse Elektromotoren, mit 9-V-Batterie als Größenvergleich Elektromotoren kommen sowohl ungeregelt als auch geregelt zum Einsatz. In einfachen Fällen kommen ungeregelte Drehstrommotoren mit Stern-Dreieck-Umschaltungen zur Anwendung. Diese sind jedoch nur zur Lösung primitiver Antriebsaufgaben geeignet. In den meisten Fällen in der heutigen Praxis liegen anspruchsvollere Antriebsprobleme vor, sodass die Elektromotoren durch eine Regelung geregelt werden müssen. Handelt es sich dabei um größere Leistungen, die erforderlich sind, so müssen noch leistungselektronische Stellglieder zwischen Regelung und Elektromotor dazwischengeschaltet werden. Kommen Regelung und Elektromotor zusammen und bilden sie gemeinsam eine funktionelle Einheit, so spricht man vom „Elektroantrieb“. Per se ist also ein Elektromotor nicht an eine Regelung gebunden; in vielen praktischen Fällen hat sich jedoch gerade deren Zusammenwirken als zweckmäßig erwiesen.