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E-Motor

Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, weshalb auch von einem elektromechanischen Wandler gesprochen wird. Die meisten Elektromotoren arbeiten durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Motors und dem elektrischen Strom in einer Drahtwicklung, um eine Kraft in Form eines auf die Motorwelle ausgeübten Drehmoments zu erzeugen. Elektromotoren können mit Gleichstromquellen (DC) wie Batterien oder Gleichrichtern oder mit Wechselstromquellen (AC) wie einem Stromnetz, Wechselrichtern oder elektrischen Generatoren betrieben werden. Ein elektrischer Generator ist mechanisch identisch mit einem Elektromotor, arbeitet jedoch mit einem umgekehrten Kraftfluss und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Elektromotoren können nach Stromquellentyp, internem Aufbau oder Anwendung und Art der Bewegungsausgabe klassifiziert werden. Zusätzlich zu Gleichstrom- oder Wechselstrom-Typen können Motoren mit oder ohne Kohle-Bürsten (zur Stromversorgung) ausgestattet sein, verschiedene Phasen aufweisen (einphasig, zweiphasig oder dreiphasig) und entweder luftgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt sein. Allzweckmotoren mit Standardabmessungen und Eigenschaften bieten eine angepasste mechanische Leistung für den industriellen Einsatz. Die größten Elektromotoren werden für Schiffsantriebe oder Pumpspeicheranwendungen mit Nennleistungen von bis zu 100 Megawatt eingesetzt. Elektromotoren finden sich in Industrieventilatoren, Gebläsen und Pumpen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräten, Elektrowerkzeugen, Computern und natürlich E-Fahrzeugen.

Geschichte

Die ersten Elektromotoren waren einfache elektrostatische Geräte des schottischen Benediktiner-Mönchs Andrew Gordon, die dieser in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts erfand. In der Theorie wurden 1785 von Charles-Augustin de Coulomb die Gesetzmäßigkeiten der elektrischen Kraft verfasst. Sie ist bis heute, als Coulombkraft bezeichnet, eine der vier physikalischen Grundkräfte. Die Erfindung der elektrochemischen Batterie durch Alessandro Volta im Jahr 1799 ermöglichte die Erzeugung anhaltender elektrischer Ströme. Nach der Entdeckung der Wechselwirkung zwischen einem solchen Strom und einem Magnetfeld, der elektromagnetischen Wechselwirkung, durch Hans Christian Ørsted im Jahre 1820, wurden bald große Fortschritte erzielt. André-Marie Ampère brauchte nur wenige Wochen, um die erste Formulierung der elektromagnetischen Wechselwirkung zu entwickeln und das Kraftgesetz (Ampère) vorzustellen, das die Erzeugung mechanischer Kraft durch Wechselwirkung eines elektrischen Stroms und eines Magnetfelds beschreibt. Die erste Demonstration des Effekts mit einer Drehbewegung wurde 1821 von Michael Faraday gegeben. Ein frei hängender Draht wurde in einen Quecksilberpool getaucht, auf den ein Permanentmagnet (PM) gelegt wurde. Wenn ein Strom durch den Draht geleitet wurde, drehte sich der Draht um den Magneten, was zeigt, dass der Strom ein dichtes kreisförmiges Magnetfeld um den Draht verursachte. Dieser Motor dient häufig in physikalischen Experimenten zur Demonstration, heute jedoch mit Salzlösung statt Quecksilber. Barlows Rad, von Peter Barlow, war eine frühe Verfeinerung (1822) dieser Faradayschen Demonstration. Der erste praxistaugliche E-Motor wurde von Hermann Jacobi im Jahr 1834 in Potsdam entwickelt. Vier Jahre später (1838) trieb ein E-Motor von Jacobi in St. Petersburg ein Boot mit 12 Personen an.

Allgemeiner Aufbau eines E-Motors

Rotor

Bei einem Elektromotor ist der bewegliche Teil der Rotor, der die Welle dreht, um die mechanische Leistung zu liefern. In den Rotor sind normalerweise Leiter eingelegt, die Ströme führen, die mit dem Magnetfeld des Stators interagieren, um die Kräfte zu erzeugen, die die Welle drehen. Alternativ tragen einige Rotoren Permanentmagnete und der Stator hält die Leiter.

Anker

Der zentrische Mittelpunkt aus Eisen im Rotor, der mit den Rotorspulen umwickelt ist.

Stator

Der Stator ist der stationäre Teil des elektromagnetischen Stromkreises des Motors und besteht normalerweise entweder aus Wicklungen oder aus Permanentmagneten. Der Statorkern besteht aus vielen dünnen Metallblechen, sogenannten Laminierungen. Laminierungen werden verwendet, um Energieverluste zu reduzieren, die bei Verwendung eines festen Kerns entstehen würden. Harzgepackte Motoren, die in Waschmaschinen und Klimaanlagen verwendet werden, nutzen die Dämpfungseigenschaften von Harz (Kunststoff), um Geräusche und Vibrationen zu reduzieren. Diese Motoren kapseln den Stator vollständig in Kunststoff ein.

Kommutator (Stromwender)

Ein Kommutator ist ein Mechanismus zum Umschalten der Stromzufuhr der meisten Gleichstrommaschinen und bestimmter Wechselstrommaschinen. Es besteht aus Schleifringsegmenten, die voneinander und von der Welle isoliert sind.

Quizfragen zum Thema

1. Welche Energie-Arten werden in einem E-Motor umgewandelt?

   Elektrische Energie wird in mechanische Energie gewandelt

2. Welche Funktion besitzt der Kommutator im E-Motor?

   Der Kommutator verändert die Stromrichtung im Rotor, um zu verhindern, dass der Motor bei Gleichrichtung von Rotormagnetfeld zu Statorfeld stehen bleibt.

3. Was ist ein Doppel-T-Anker?

   Der Doppel-T-Anker ist eine alte Form des Rotors, erfunden im Jahr 1856 von Werner Siemens. Er war die Basis für die Entwicklung des Dynamos.

4. Welche Vorteile bietet ein Drehstrom-Asynchronmotor?

   Der bereits 1889 bei AEG entwickelte Drehstrom-Asynchronmotor benötigt weder einen Kommutator noch Bürsten für den Betrieb als E-Motor. Er ist bis heute der meist verwendete E-Motor.

5. Was ist die Kennlinie einer Gleichstrommaschine?

   Als Kennlinie einer Gleichstrommaschine ist deren Drehzahl- und Stromverlauf über den Verlauf des Drehmoments definiert. Die Kennlinie ist abhängig von den jeweiligen Parametern eines E-Motors.

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