Physik · Klasse 9–10 · aktualisiert
Elektromotor: Aufbau und Funktion einfach erklärt
Verfolge, wie Rotor, Stator und Kommutator elektrische Energie in eine Drehbewegung umsetzen.
0 von 13 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Ein Elektromotor wandelt elektrische in mechanische Energie um. Im einfachen Gleichstrommotor dreht das Statorfeld eine stromdurchflossene Rotorspule; der Kommutator polt sie nach jeder halben Umdrehung um, damit das Drehmoment weiter antreibt.
Wie erzeugt ein Elektromotor eine Bewegung? Er wandelt elektrische Energie mithilfe magnetischer Kräfte in mechanische Energie um. Hier lernst du das am einfachen Gleichstrommotor kennen: Eine drehbare Spule bildet den Rotor, der feststehende Stator erzeugt das äußere Magnetfeld. Ein Kommutator kehrt die Stromrichtung in der Spule regelmäßig um, damit der Rotor fortlaufend angetrieben wird.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Eine Spule besteht aus Draht, der in mehreren Windungen aufgewickelt ist. Stell dir eine solche Spule drehbar gelagert zwischen zwei Magnetpolen vor. Sobald Strom durch sie fließt, wird sie selbst zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol. Für die Wechselwirkung der Magnetpole gilt: Gleichnamige Pole stoßen sich ab. Ungleichnamige Pole ziehen sich an. Ist das Magnetfeld des Rotors noch nicht entlang des äußeren Feldes ausgerichtet, können Anziehung und Abstoßung ihn drehen. Genauer betrachtet wirken magnetische Kräfte auf gegenüberliegende stromdurchflossene Leiterstücke der Spule. Obwohl diese Kräfte entgegengesetzt gerichtet sind, können sie gemeinsam eine Drehwirkung erzeugen.
Definition
Drehmoment
Ein Drehmoment ist die Drehwirkung einer Kraft. Beim Elektromotor entsteht es durch magnetische Kräfte auf gegenüberliegende Seiten der stromdurchflossenen Spule.
Merke: Strom macht die Rotorspule zum Elektromagneten. Die Wechselwirkung mit dem Statorfeld erzeugt das Drehmoment.
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Das einfache Modell eines Gleichstrommotors besitzt vier wichtige Bauteilgruppen. Ein Eisenkern in der Rotorspule verstärkt die magnetische Wirkung. Die Achse führt die Drehbewegung nach außen, damit der Motor etwas antreiben kann. Der einfache Kommutator besteht aus zwei leitenden Halbringen, die durch isolierende Spalte getrennt sind. Jeder Halbring ist mit einem Spulenende verbunden und dreht sich mit dem Rotor. Die feststehenden Bürsten gleiten darüber. Nach jeder halben Umdrehung berührt jede Bürste den anderen Halbring: So vertauscht sich die Verbindung der Spulenenden mit Plus und Minus, obwohl die Spannungsquelle gleich gepolt bleibt.
| Bauteil | Aufgabe |
|---|---|
| Stator | Bleibt fest und erzeugt das äußere Magnetfeld, zum Beispiel mit Dauermagneten. |
| Rotor oder Anker | Ist drehbar gelagert. Seine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. |
| Bürsten oder Schleifkontakte | Stellen während der Drehung den elektrischen Kontakt zur Spannungsquelle her. |
| Kommutator oder Polwender | Kehrt regelmäßig die Stromrichtung in der Rotorspule um. |
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Ohne Umkehr der Stromrichtung wird die Rotorspule in eine Stellung gezogen, in der ihr Magnetfeld zum äußeren Feld ausgerichtet ist. Dort stehen sich ungleichnamige Pole gegenüber und das Drehmoment ist null. Ein bewegter Rotor kann zunächst darüber hinausschwingen; dann wirkt das Drehmoment zurück. Durch Reibung und andere Verluste kommt er schließlich zur Ruhe. Er wird also nicht dauerhaft in derselben Drehrichtung angetrieben. Für eine fortlaufende Drehung müssen die magnetischen Verhältnisse im richtigen Moment wechseln:
Definition
Kommutierung
Kommutierung bezeichnet das gezielte Umschalten der Ströme in den Motorwicklungen. Beim einfachen Gleichstrommotor kehren Bürsten und Kommutator die Stromrichtung in der Rotorspule mechanisch um.
Beispiel: Stromwende nach einer halben Umdrehung
- 1Strom fließt durch die Rotorspule und macht sie zum Elektromagneten.
- 2Magnetische Kräfte erzeugen ein Drehmoment.
- 3Der Rotor nähert sich der Stellung, in der die Drehwirkung verschwindet.
- 4Die Stromrichtung in der Spule wird umgekehrt.
- 5Dadurch vertauschen Nord- und Südpol des Rotors ihre Positionen.
- 6Die neuen Anziehungs- und Abstoßungskräfte treiben den Rotor in derselben Drehrichtung weiter.
Teste dich
Der Totpunkt ist beim einfachen Motormodell die Stellung, in der vorübergehend kein antreibendes Drehmoment wirkt. Beim geteilten Kommutator können die Bürsten dann auf den isolierenden Spalt treffen. Der Stromkreis ist kurz unterbrochen.
Ein bereits laufender Rotor kann sich wegen seiner Trägheit weiterdrehen. Bei ausreichender Drehzahl reicht seine Bewegungsenergie aus, um die kurze Pause trotz Reibung und Belastung zu überwinden. Danach berühren die Bürsten die andere Kommutatorhälfte. Der Strom fließt umgekehrt, und das neue Drehmoment treibt den Rotor weiter. Steht der einfache Rotor genau im Totpunkt, läuft er nicht von selbst an.
Bei einem einfachen Anker schwankt das Drehmoment stark. Mehr Windungen verstärken bei gleicher Stromstärke, Spulenfläche, Feldstärke und Stellung die Drehwirkung. Ein Eisenkern verstärkt oder führt das Spulenfeld. Mehrere räumlich versetzte Wicklungen sorgen dafür, dass nicht alle zugleich im Totpunkt stehen. Ein Dreifachanker kann bei ausreichendem Antrieb aus jeder Stellung anlaufen und läuft bei niedriger Drehzahl ruhiger. Ein Trommelanker mit noch mehr Wicklungen und Kommutatorsegmenten liefert ein gleichmäßigeres Drehmoment.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor hat keinen mechanischen Kommutator. Bei ihm schaltet eine Elektronik die Statorspulen passend zur Stellung des Rotors mit Dauermagneten.
Beim Motor fließt elektrische Energie hinein und mechanische Energie heraus. Beim Generator ist es umgekehrt: Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Merke: Der Kommutator polt um; die Trägheit trägt den laufenden Rotor durch die kurze antriebslose Phase.
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Alles auf einen Blick
Elektromotor
Umwandlung
Elektrische Energie treibt die mechanische Drehung an.
Stator
Der feststehende Teil erzeugt das äußere Magnetfeld.
Rotor
Eine stromdurchflossene Spule dreht sich im Feld.
Kommutator
Er vertauscht die Anschlüsse nach jeder halben Umdrehung.
Totpunkt
Trägheit trägt nur einen bereits laufenden Rotor weiter.
Mehrere Wicklungen
Ihre versetzten Drehmomente glätten den Lauf.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Drehung einer einfachen Rotorspule
- 1Eine Batterie mit höchstens 9 V speist die Rotorspule über Bürsten und Kommutator.
- 2Im Statorfeld wirkt auf gegenüberliegende Leiterseiten ein Kräftepaar und dreht den Rotor.
- 3Nach der kurzen antriebslosen Stellung kehrt der Kommutator den Spulenstrom um.
- 4Die Rotorpole tauschen; das Drehmoment treibt in derselben Drehrichtung weiter.
Fehler finden
Rotor im Totpunkt In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile ist falsch: Trägheit erhält vorhandene Bewegung, sie startet keinen ruhenden Rotor.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Der feststehende Teil heißt . Die drehbare Spule heißt . Die Stromrichtung in ihr kehrt der um.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback