Elektromotor

Bei einem Elektromotor entsteht eine Rotationsbewegung aufgrund des Stromflusses durch eine Leiterschleife oder Leiterspule in einem festen Magnetfeld.


Aufbau

Ein Elektromotor besteht immer aus folgenden Bestandteilen:

  • Stromdurchflossene Leiterschleife oder Leiterspule, die drehbar gelagert ist. Diese Komponente wird als Rotor bezeichnet.
  • Stator, der ein festes Magnetfeld aufbaut, in der sich die Spule dreht.
  • Kommutator zur Umpolung des Stromflusses nach halber Umdrehung bzw. automatische Umpolung durch Wechselstrom.
Zu sehen ist der prinzipielle Aufbau eines Elektromotors. Es gibt einen festen Magneten um die Spule mit Süd- und Nordpol. In diesem Magnetfeld dreht sich eine Spule, der Rotor. Auf dem Rotor befindet sich das Bauteil Kommutator.

Funktionsweise

Durch die stromdurchflossene Leiterschleife (oder Spule) baut sich automatisch ein Magnetfeld auf. Dies tritt nun mit dem statischen Magnetfeld außen in Wechselwirkung. Es kommt zur Abstoßung und zur Anziehung, was eine Drehbewegung zur Folge hat.

Die Drehung setzt sich solange fort bis sich der Südpol des Magnetfeldes der Spule beim Nordpol des statischen Magneten befindet und umgekehrt.

In folgender Animation ist der Übersichtlichkeitshalber eine Leiterschleife gezeichnet. Die Funktionsweise für eine Spule, die aus vielen übereinanderliegenden Leiterschleifen besteht, ist dabei die Gleiche. In der Animation ist oben ein Pfeil zu sehen, der die Ausrichtung des Magnetfeldes der Leiterschleife angibt. Dieses Magnetfeld tritt mit dem statischen Magnetfeld in Wechselwirkung. Die Umpolung erfolgt durch den Kommutator.

Tipp: Du kannst dir die Kraftwirkung auf die Leiterschleife oben auch anhand der Lorentzkraft auf die Elektronen im Leiter überlegen. Dabei musst du nur die Drei-Finger-Regel anwenden und dir eine Seite der Leiterschleife aussuchen, anhand derer du dir die Kraft überlegen willst.

Umpolung

Im Moment der Umpolung befindet sich der Rotor am sogenannten Totpunkt. An dieser Stelle wird dann umgepolt, damit sich die Drehbewegung fortsetzen kann. Im weiteren Verlauf wird immer umgepolt, wenn sich der Rotor am Totpunkt befindet. Deshalb dreht sich der Elektromotor immer weiter.

Totpunkt

Am Totpunkt selbst ist kurzzeitig keine Kraft mehr vorhanden, da die Schleifkontakte, die die Leiterschleife bzw. die Leiterspule mit dem Kommutator verbinden, kurzzeitig keinen Strom abgreifen (Schwarzer Spalt vom Kommutator). Dies ist allerdings bei einem laufenden Motor egal, da sich der Rotor durch seine Trägheit immer noch ein Stück über den Totpunkt hinaus bewegt. Folglich greifen die Schleifkontakte wieder einen Strom ab. Die Schleifkontakte sind nun mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden. Darum kommt es zur Umpolung und der Rotor dreht sich weiter.

Kraftoptimierung

Damit die Kraftwirkung möglichst groß ist, besteht ein Elektromotor normalerweise aus einer Spule um einem Eisenkern. Die Funktionsweise bleibt dabei genau die Gleiche. Das Magnetfeld, dass wegen dem Stromfluss durch die Spule entsteht, wird in folgender Animation durch entsprechende Färbung dargestellt.


Beispiele

Kraftwirkung

Welche Eigenschaft einer stromdurchflossenen Leiterspule nutzt ein Elektromotor aus?

Lösung

Für die Drehung des Elektromotors ist das Magnetfeld verantwortlich, das sich um die Leiterschleife aufbaut. Der Elektromotor nutzt also die Eigenschaft, dass ein Magnetfeld entsteht, wenn man eine Leiterschleife mit Strom versetzt.

Drehrichtung

In welche Richtung dreht sich folgender Elektromotor?

Zu sehen ist eine Leiterschleife. An der Spannungsquelle ist auf der rechten Seite das plus und auf der linken Seite ein minus. Links von der Leiterschleife befindet sich der Nordpol des Stators und rechts der Südpol.

Lösung

Die Leiterschleife erzeugt ein Magnetfeld, bei dem sich ein Nordpol oben und ein Südpol unten ausbildet (Rechte-Hand-Regel). Somit wird der Südpol nach links zum Nordpol des statischen Magneten gezogen. Der Nordpol des Magnetfeldes durch die Leiterschleife erfährt eine Anziehung nach rechts.

Somit wird sich die Leiterschleife im Uhrzeigersinn drehen.

Wechselstrom

Warum kann man den Bauteil Kommutator auch durch Anlegen von Wechselstrom ersetzen? Was ist dabei zu beachten?

Lösung

Der Kommutator sorgt an der richtigen Stelle immer für eine Umpolung des Stromflusses, so dass sich das Magnetfeld umkehrt. Bei Anlegen des Wechselstroms geschieht die Umpolung automatisch. Wichtig ist dabei, dass die Drehung mit der Frequenz des Wechselstroms so übereinstimmt, dass im richtigen Moment umgepolt wird.

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