Elektromotor

Definition, Bedeutung und Funktionsprinzip

Ein Elektromotor ist ein elektromechanischer Wandler, der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. Er ist damit das Gegenstück zum ähnlich aufgebauten Generator, der mechanische Bewegung in elektrische Leistung umwandelt. Elektromotoren treiben zahlreiche Geräte, Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge an. Meist erzeugen sie eine Drehbewegung; als Linearantrieb können sie auch eine geradlinige, also translatorische Bewegung erzeugen.

Die Bewegung beruht auf den Anziehungs- und Abstoßungskräften zwischen Magnetfeldern, insbesondere auf der Lorentzkraft. Ein üblicher Motor besitzt einen feststehenden Teil und einen darin beweglichen Teil. Einer dieser Teile kann Permanentmagnete und der andere stromdurchflossene Spulen enthalten; möglich sind auch Spulen in beiden Teilen. Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. Wird die Stromrichtung umgekehrt, vertauschen sich Nord- und Südpol. Durch fortlaufendes Umschalten beziehungsweise geeignetes Umpolen der Spulen entsteht eine kontinuierliche Bewegung.

Wichtige Bauteile und Begriffe:

• Der Stator ist der feststehende, magnetisch wirkende Teil. Er liegt meistens außen und ist mit dem Gehäuse verbunden. Liegt er innen, heißt der Motor Außenläufer.
• Der Rotor ist der bewegliche, meistens rotierende Teil, der die Motorwelle dreht.
• Der Anker ist der Eisenkern des Rotors, um den die Rotorspulen gewickelt sind.
• Ein Polschuh ist eine Ausbuchtung eines Magnetkerns, die das Magnetfeld bündelt und an eine bestimmte Stelle leitet.
• Der Kommutator ist eine mit der Rotorwelle rotierende, in leitende Segmente unterteilte Scheibe oder Zylinderfläche. Er schaltet die angeschlossenen Spulen während der Drehung um.

Motorarten und elektrische Steuerung

Beim Gleichstrommotor kann der Stator ein Dauermagnet mit Polschuhen sein oder sein Magnetfeld durch eine Erregerspule erhalten. Im Rotor liegt meist eine drehbar gelagerte Spule mit Eisenkern. Der Strom gelangt über Kohlebürsten und einen segmentierten Kommutator zum Rotor. Die Magnetfelder von Rotor und Stator wirken aufeinander und erzeugen ein Drehmoment. Ohne Kommutator würde sich der Rotor nur so weit drehen, bis beide Magnetfelder gleichgerichtet sind. Der Kommutator, auch Stromwender oder Kollektor genannt, kehrt daher bei der Drehung die Stromrichtung in den passenden Ankerwicklungen um und verhindert das Stehenbleiben am „toten Punkt“.

Der Eisenkern des Ankers besteht aus einem Blechstapel, damit möglichst wenige Wirbelströme entstehen. Auch ein Wechselstrom-Kommutatormotor beziehungsweise Universalmotor arbeitet nach diesem Prinzip. Weil bei ihm das Erregerfeld mit dem Wechselstrom seine Polung ändert, muss auch sein Stator aus einem Blechpaket bestehen.

Bei Wechsel- und Drehstrommotoren kann der Kommutator entfallen, wenn die Drehung dem Rhythmus des Wechselstroms folgt. Das Rotorfeld entsteht dann beispielsweise durch induzierte Ströme in einer Kurzschlusswicklung beim Asynchronmotor, durch die Magnetisierung eines Eisenkerns beim Reluktanz- oder Schrittmotor, durch Dauermagnete oder durch einen elektrisch erregten Läufer. Manche dieser Motoren besitzen kein oder nur ein geringes Anlaufmoment und benötigen eine Anlaufhilfe.

Drehstrom besteht aus drei um 120° phasenverschobenen Wechselspannungen und erzeugt ein Drehfeld, sodass Drehstrommotoren selbstständig anlaufen können. Kondensator- und Spaltpolmotoren bilden aus einphasigem Wechselstrom eine Hilfsphase. Schritt- und Reluktanzmotoren werden mit veränderlicher Frequenz und/oder mehreren Phasen betrieben, damit keine Schrittverluste auftreten. Synchronmotoren benötigen eine Starthilfe oder schwingen sich selbst in den Gleichlauf ein.

Zu den Drehfeld- und Wanderfeldmaschinen gehören unter anderem Drehstrom-, Asynchron-, Synchron-, Schritt-, Linear-, Torque-, Reluktanz-, Kondensator- und bürstenlose Gleichstrommotoren. Kommutatormaschinen umfassen Gleichstrom-, Reihen-, Neben- und Verbundschlussmotoren sowie Universalmotoren. Elektrostatische Motoren arbeiten statt mit Magnetfeldern mit elektrischen Feldern; wegen hoher benötigter Spannungen und geringerer Wirkungsgrade sind sie nur für kleine Kräfte und Abmessungen bedeutsam.

Entwicklung und Verbreitung

Frühe Versuche reichen bis zu Andreas Gordon zurück, der bis zu seinem Tod 1751 mit Elektrizität experimentierte und einen durch elektrostatische Entladung rotierenden Metallstern baute. 1820 entdeckte Hans Christian Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. Michael Faraday veröffentlichte 1821 Ergebnisse zur „elektromagnetischen Rotation“, bei der ein Leiter um einen Magneten beziehungsweise ein Magnet um einen Leiter kreiste. Es folgten das Barlow-Rad von 1822 sowie Entwicklungen von Ányos Jedlik ab 1827 und William Sturgeon 1832.

Hermann Jacobi entwickelte 1834 in Potsdam den ersten praxistauglichen Elektromotor. 1838 trieb sein 220 Watt starker Motor in Sankt Petersburg ein Boot für zwölf Personen an; dies war die erste praktische Anwendung eines Elektromotors. Thomas Davenport erhielt am 25. Februar 1837 ein Patent auf einen Kommutatormotor. Damit waren um 1837/1838 die Grundlagen eines praktisch nutzbaren elektromotorischen Antriebs vorhanden.

Werner von Siemens ließ 1866 seine Dynamomaschine patentieren. Durch die Erzeugung elektrischer Energie in größerem Umfang förderte sie den Durchbruch des Elektromotors. Ab etwa 1880 entstanden in vielen Staaten Elektronetze und Kraftwerke. Die Elektrifizierung wurde zu einem wichtigen Merkmal der zweiten industriellen Revolution: Elektrische Straßenbahnen ersetzten Pferdebahnen, und Elektromotoren übernahmen in Betrieben zahlreiche Aufgaben der Dampfmaschine.

Anwendungen in Alltag, Verkehr und Industrie

Elektromotoren werden ungeregelt oder geregelt eingesetzt. Einfache Aufgaben können ungeregelte Drehstrommotoren mit Stern-Dreieck-Umschaltung übernehmen. Anspruchsvollere Antriebe benötigen eine Regelung; bei größeren Leistungen werden leistungselektronische Stellglieder zwischengeschaltet. Bilden Motor und Regelung eine funktionelle Einheit, spricht man von einem Elektroantrieb.

Heute finden sich Elektromotoren unter anderem in Maschinen, Automaten, Robotern, Spielzeug, Haushalts- und Elektronikgeräten, Festplatten, Ventilatoren, Rasenmähern und Kranen. In Deutschland entfallen über 50 Prozent des Stromverbrauchs auf Elektromotoren.

In mobilen Anwendungen treiben sie Kraftfahrzeuge, Elektrolokomotiven, Straßenbahnen, Schiffe, U-Boote und Torpedos an. Bei Luftfahrzeugen waren sie lange selten, gewinnen aber durch Drohnen und Elektroflüge an Bedeutung. Viele Elektroautos, E-Scooter, Pedelecs und Drohnen nutzen Akkumulatoren. Weitere Konzepte sind Brennstoffzellen-, Hybrid-, Gyro-, Kernenergie- und dieselelektrische Antriebe. Schienenfahrzeuge und Obusse können während der Fahrt Strom aus Oberleitungen oder Stromschienen beziehen; Solarfahrzeuge gewinnen ihn aus einfallendem Sonnenlicht.

Vorteile elektrischer Fahrzeugantriebe sind das bereits beim Anfahren verfügbare maximale Drehmoment, der hohe Wirkungsgrad auch bei Teillast, einfache Bedienung, geringe Abmessungen und Masse, lokaler Betrieb ohne Abgase, lange Lebensdauer, geringer Wartungsaufwand und ein einfacheres Kühlsystem. Eine elektromotorische Bremse kann bei der Nutzbremsung beziehungsweise Rekuperation Energie zurückgewinnen. Hemmnisse bei Pkw und Lkw sind besonders die begrenzte Reichweite, die hohe Masse der Akkumulatoren und lange Ladezeiten.

In der Industrie übernehmen Elektromotoren vielfältige Aufgaben: Förder-, Fahr- und Hubantriebe bewegen Material; Positionierantriebe bringen Werkstücke präzise an einen Zielpunkt; koordinierte Antriebe steuern die bis zu sechs Achsen eines Industrieroboters. Gleichlauf- und Wickelantriebe bearbeiten Endlosmaterial. Beim Wickeln muss die Drehzahl geregelt werden, weil mit wachsendem Wickeldurchmesser die Umfangsgeschwindigkeit zunimmt. Taktantriebe bewegen Querschneider oder fliegende Sägen synchron zum weiterlaufenden Material. Weitere Anwendungen sind elektronische Kurvenscheiben, Umformprozesse, Werkzeugmaschinen sowie Pumpen und Ventilatoren.

Wirkungsgrad und Effizienzklassen

Veraltete Elektromotoren erhöhen den Energieverbrauch. Eine freiwillige Vereinbarung von 1998 zwischen dem europäischen Sektorkomitee CEMEP und der Europäischen Kommission unterschied EFF3 für niedrigen, EFF2 für verbesserten und EFF1 für erhöhten Wirkungsgrad. Diese Einteilung ist heute veraltet.

Mit EN 60034-30:2009 wurde 2009 eine weltweit geltende Einteilung für Niederspannungs-Drehstrom-Asynchronmotoren von 0,75 kW bis 375 kW eingeführt:

• IE1: Standardwirkungsgrad, mit EFF2 vergleichbar
• IE2: hoher Wirkungsgrad, mit EFF1 vergleichbar
• IE3: Premiumwirkungsgrad
• IE4: Super Premium; mehr als 97 % wurden realisiert
• IE5: Ultra Premium

Seit dem 16. Juni 2011 durften ungeregelte Motoren im Bereich von 0,75 bis 375 kW nur noch ab IE2 in Verkehr gebracht werden. Seit dem 1. Juli 2021 gilt mindestens IE3. Besonders hohe Wirkungsgrade erreichen beispielsweise permanenterregte Synchronmotoren.

Herstellung und Endmontage

Die wichtigsten Komponenten – Gehäuse, Stator, Welle und Rotor – werden zunächst getrennt hergestellt und anschließend montiert. Das Gehäuse wird von Lagerschilden abgeschlossen, die über Kugellager auch die Motorwelle tragen. Gehäuse und Lagerschilde entstehen durch Gießen oder Fließpressen, werden durch Drehen, Bohren, Fräsen und Schleifen feinbearbeitet und danach gereinigt. Sandguss eignet sich für kleine Stückzahlen. Druckguss ist mit 60 % Anteil das häufigste Verfahren; eine Stahlform kann etwa 80.000-mal verwendet werden. Wegen Maschinenkosten von 700.000 Euro bis einer Million Euro ist er ab ungefähr 15.000 Stück wirtschaftlich. Für sehr große Serien kommt auch das Strangpressen infrage.

Rotor und Stator werden aus Blechpaketen aufgebaut. Die voneinander isolierten Bleche aus siliziumhaltigem Elektroband vermindern Wirbelströme und erhöhen so den Wirkungsgrad. Für kleine Serien werden sie mit Laser oder Wasserstrahl geschnitten, für große Serien gestanzt. Danach werden sie gestapelt und beispielsweise durch ineinandergreifende Nasen, Schweißen oder Backlack verbunden. Schweißverbindungen können Wirbelströme begünstigen; Backlack verbindet und isoliert zugleich. Bei Großmotoren können Spannungsarmglühen, Entgraten, Außenrunddrehen oder Nachlackieren den Wirkungsgrad zusätzlich erhöhen.

Der Stator verursacht etwa 35 % der Gesamtkosten und ist das teuerste Bauteil. Isolierpapier verhindert Spannungsüberschläge zwischen Blechpaket und Wicklung. Der gezogene Draht erhält eine isolierende Lack- und eine Gleitschicht. Spulen entstehen hauptsächlich durch Linear-, Flyer- oder Nadelwickeltechnik. Danach werden sie eingebaut, kontaktiert, geprüft und imprägniert.

Die Welle hat nur etwa 5 % Kostenanteil. Sie wird zunächst weich grobbearbeitet, anschließend etwa durch Induktions-, Einsatz- oder Nitrierhärten gehärtet und zuletzt durch Hartdrehen oder Schleifen präzise fertiggestellt. Rotoren mit Permanentmagneten werden magnetisiert, mit Magneten bestückt, mit der Welle verbunden und ausgewuchtet. Asynchronmotoren besitzen stattdessen meist einen druckgegossenen Rotorkäfig. Kupfer leitet besser als Aluminium, ist aber ungefähr viermal teurer und schmilzt erst bei 1084 °C; Aluminiumlegierungen schmelzen schon bei 600 °C. Aluminiumformen halten ungefähr 50.000 Abgüsse aus, Kupferformen nur etwa 100.

Bei der Endmontage wird der Stator durch Aufschrumpfen, Einpressen oder Kleben im Gehäuse befestigt, danach wird der Rotor eingesetzt. Es folgen Sensoren: beim Asynchronmotor ein Drehzahlmesser, bei Permanentmagnetmotoren ein Positionsmesser beziehungsweise Inkrementalgeber; hinzu kommen Temperatursensoren. Sensoren und elektrische Phasen werden mit dem Anschlussstecker verbunden. Schließlich werden Lagerschilde und Kugellager montiert. Den Abschluss bilden Sicht-, Widerstands-, Isolations-, Funktions- und Hochspannungsprüfungen sowie eine Prüfung der Leistungselektronik.