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Elektromotoren bieten viele Vorteile und sind immer häufiger ein interessantes Gesprächsthema. Obwohl viele Leute wissen, wie ein Benzin- oder Dieselmotor funktioniert, wissen nur wenige, wie ein Elektromotor aufgebaut ist.
Doch ein Elektromotor selbst ist kein Hexenwerk, sondern im Gegensatz zu anderen Motorenarten einfach konstruiert, da er nichts anderes als ein elektromechanischer Wandler ist, der aus elektrischen Leistungen eine mechanische Leistung erzeugt.
Er kann also grob gesagt aus Strom Bewegung erzeugen.
Dafür erzeugen in den meisten Elektromotoren Leiterspulen, durch die Strom fließt, Magnetfelder. Diese Magnetfelder produzieren durch ihre gegenseitige Anziehungs- und Abstoßkraft Bewegung. Also ist ein Elektromotor als ein Gegenstück zu einem Generator zu sehen, der aus Bewegung Strom erzeugt.
Die meisten Elektromotoren sollen eine rotierende Bewegungsenergie konstruieren, wobei es genauso möglich ist, dass sie eine translatorische Bewegung ermöglichen, die auch als linearer Antrieb bezeichnet wird. Elektromotoren kommen immer häufiger in Fahrzeugen, Arbeitsmaschinen und diversen Gerätschaften zum Einsatz.
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Elektromotoren sind älter als geahnt
Wenn jemand schätzen sollte, wie lange es schon Elektromotoren gibt, dürften die meisten vielleicht auf einen Zeitraum von 50 oder 60 Jahren tippen. Doch ein dänischer Physiker namens Hans Christian Ørsted entdeckte das Phänomen des Elektromagnetismus bereits im Jahr 1820.
Bereits 1822 entstand das Barlow-Rad, was als die Grundidee des Elektromotors bezeichnet wird. Ein weiterer Motorenvorläufer entstand im Jahr 1834 in Potsdam, wo Hermann Jakobi einen funktionierenden Elektromotor vorstellt.
Bereits 1838 besaß ein Boot in Sankt Peters einen 220 Watt starken Elektromotor als Antrieb. Der Grobschmied Thomas Davenport ließ sich als erster einen Kommutatormotor am 25. Februar. 1837 patentieren. Dagegen ließ sich Werner von Siemens im 1866 eine eigens entwickelte Dynamomaschine gesetzlich schützen.
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Die Grundlagen des Elektromotorenbaus entstanden also bereits im 19. Jahrhundert und nicht im 20. Jahrhundert. Die Entwicklung ging sogar so rasant weiter wie sie begann.
Um das Jahr 1880 bauten viele Staaten ihre ersten Kraftwerke oder erschufen eigene Elektronetze. In Deutschland war Emil Rathenau einer der führenden Köpfe für diese Technologie, die er mit seiner Allgemeinen Electricitäts-Gesellschaft vorantrieb. Daraus wurde dann der Weltkonzern AEG.
In Amerika war Thomas Alva Edison einer der wichtigsten Verfechter der Elektrotechnik. Da sich die Verfügbarkeit von elektrischer Energie schnell ausbreitete, wurden die Elektromotoren immer wichtiger für die Gesellschaft, was in der Verbindung mit der gleichstark wachsenden chemischen Industrie die zweite industrielle Revolution auslöste.
Wie ein Elektromotor aufgebaut ist
Der Elektromotor nutzt, um eine Bewegung zu erzeugen, die Anziehungs- und Abstoßkraft von einem oder mehreren Magnetfeldern. Diese Kräfte der unterschiedlich gepolten Magnetfelder werden auch als Lorentzkraft bezeichnet.
In den meisten Elektromotoren gibt es ein fixes Außenteil, während sich das Innenteil als beweglich erweist. Um die Bewegung zu gewährleisten, besitzt eine der beiden Teile eine elektrische Spule und der andere Bereich besitzt einen Permanentmagneten.
Manchmal ist der Elektromotor auch so konstruiert, dass beide Bereiche über elektrische Spulen verfügen. Sobald durch diese Spulen Strom geleitet wird, erzeugen sie ein Magnetfeld und die Richtung des Stromflusses bestimmt, ob das Magnetfeld auf den Nord- oder Südpol ausgerichtet ist.
Eine anhaltende Drehung des Innenbereichs wird durch das passende, mehrfache Umpolen aller Spulen erreicht. Ein einfacher Elektromotor besteht aus den Bestandteilen Stator, Rotor, Anker, Polschuh und Kommutator.
Der Stator ist ein feststehendes, magnetisch aufgeladenes Teil in einem Elektromotor. Üblicherweise sitzt er bei den Elektromotoren außen und ist zugleich ins Gehäuse integriert. Sollte er trotzdem innen angebracht sein, wird dieser Elektromotor auch gern als ‚Außenläufer‘ bezeichnet.
Ein Gleichstrom-Elektromotor, also ein Kommutator-Elektromotor ist nur eine Variante der vielfältigen Bauweisen von Elektromotoren. Es gibt noch diverse andere Arten von Elektromotoren, die sich ebenfalls in der Praxis bewährt haben.
Weitere Komponenten des Elektromotors
Unter dem Rotor verstehen die meisten das bewegliche Teil in einem Elektromotor, das in der Regel rotiert. Es ist magnetisch aufgeladen und besteht aus einer Spule, einem Anker und der Achse. Das gilt jedoch nur, wenn der Anker nicht als Permanentmagnet konstruiert wurde.
Der Anker ist ein Eisenkern im Rotor, um den die Rotorenspule gewickelt wurde. Der Anker kann in speziellen Fällen auch ein Permanentmagnet sein.
Dagegen heißt der Polschuh so, weil er eine schuhähnliche Form ist, die als Ausbuchtung im Eisen eines Magnetkerns vorkommt. Dies wird so geformt, damit das Magnetfeld an dieser bestimmten Stelle entsteht und dort gebündelt ist.
Bei einem Kommutator handelt es sich dagegen um eine Scheibe, die elektrische Anschlüsse aufweist. Sie sind also Segmente dieser Scheibe, wobei sich diese Scheibe selbst um die Rotorwelle dreht.
An den Anschlüssen des Kommutators sind jeweils Spulen angeschlossen. Dadurch wird die Kommutatorscheibe ständig umgepolt, während sie sich dreht.
Würde der Motor jedoch keinen Kommutator aufweisen, müsste sich der Anker so weit bewegen, bis sich ein Rotormagnetfeld mit einem Statorfeld gleichrichtet. Allerdings entsteht so ein ‚toter Punkt‘ und die Bewegung kommt zum Stehen, weshalb der Strom durch den Kommutator mithilfe der Ankerspule umgeschaltet wird und das in jedem Segment des Kommutators.
Andere Arten von Elektromotoren
Wenn es sich bei dem Elektromotor um einen Wechselstrommotor handelt, kann der Hersteller auf einen Kommutator verzichten, denn die Umdrehungszahl folgt dem Rhythmus, den der Wechselstrom vorgibt. Der Rotor erzeugt dann umlaufende Magnetfelder auf unterschiedliche Arten, die jeweils eine Art von Elektromotor definieren.
Der Asynchronmotor beruht auf vom Erregerfeld induzierte Ströme, die in eine Kurzschlusswicklung gelangen.
Der Schrittmotor entsteht aus der Magnetisierung des Eisenkerns mit seinen Polen. Durch den Einsatz von Dauermagneten entstehen die Schrittmotoren, Synchronmotoren oder elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren.
Ein Polradmotor entsteht durch elektrisch erzeugte Läufer, die auch durch ein Erregersystem in Synchronmaschinen bewegt werden.
Alle diese Motorenarten zeichnet aus, dass sie entweder kein oder nur ein geringes Anlaufmoment benötigen. Sie brauchen eine geringe Anlaufhilfe oder können sogar mit Wechselstrom mit mehreren Phasen allein starten.
Es gibt auch Drehstrommotoren, die mit Drehstrom angetrieben werden. Dabei wird der Drehstrom durch 3 Wechselspannungen erzeugt, die um 120 ° verschoben sind und so ein Drehfeld konstruieren.
Ebenso dazu gehört der Spaltpol- oder Kondensatormotor, der sich selbst eine Hilfsphase, wie das Drehfeld auch genannt wird, erzeugt, indem er einen einphasigen Wechselstrom als Anlauf benutzt.
Die Rekulanzmotoren, die auch als Schrittmotoren bezeichnet werden, funktionieren dagegen mit frequenzveränderlichem Wechselstrom. Dieser entsteht durch eine oder mehrere Phasen, welche auch für eine gleichmäßige Funktion sorgen.