Elektromotoren: Typen, Funktionsweise und Steuerung

Der Gleichstrommotor (DC-Motor)

Die einfachsten Gleichstrommotoren sind jene, die in vielen batteriebetriebenen Spielzeugen verwendet werden. Sie bestehen aus einem Stator, der aus einem zylindrischen Permanentmagneten im Gehäuse gebildet wird, und einem Rotor. Dieser besteht aus Elektromagneten, die ringförmig um den magnetischen Kern angeordnet sind. Die positiven und negativen Pole leiten den Strom durch die Bürsten (Schleifkontakte) zu den Kollektorlamellen, die sich an einem Ende des Rotors befinden. Diese Lamellen sind mit den Drähten der Spule verbunden und liefern so den benötigten Strom, um den Magnetismus zu erzeugen, der für die Drehung des Rotors erforderlich ist.

In diesen Motoren besteht der Kern des Elektromagneten nicht aus einer soliden Eisenmasse, sondern wird aus dünnen, isolierten und stark komprimierten magnetischen Eisenblechen gebildet. Das sorgt für eine bessere Leistung des Geräts, da nicht so viel Wärme entsteht, wie es bei einem massiven Kern der Fall wäre.

Neben diesen einfachen Motoren werden üblicherweise andere Typen verwendet, die keine Dauermagnete als Induktor im Stator nutzen. Stattdessen besitzt der Stator Elektromagnete, was die Motorleistung verbessert. Der Rotor verfügt über mehrere Elektromagnete in ungerader Zahl, um einen regelmäßigen Lauf des Motors zu gewährleisten.

Der Wechselstrommotor (AC-Motor)

Von dieser Art von Motoren gibt es eine große Vielzahl. Äußerst verbreitet sind AC-Motoren, die über Kollektoren fast auf die gleiche Weise wie Gleichstrommotoren mit Strom versorgt werden. Diese Motoren haben eine sehr konstante Drehzahl, da diese von der Frequenz des Wechselstroms abhängt. Wenn diese variiert wird, was heutzutage mit elektronischen Schaltungen sehr einfach möglich ist, kann die Geschwindigkeit angepasst werden.

Andere Wechselstrommotoren, sogenannte Induktionsmotoren, arbeiten ohne Bürsten oder Kollektoren. Hierbei erzeugt die Schwingung des Wechselstroms ein rotierendes Magnetfeld, welches den Rotor zum Drehen bringt. Diese Motoren sind sehr robust gegen Überlastung, leicht zu starten und können abrupt gebremst werden. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie in den meisten Werkzeugmaschinen, Pumpen, Förderbändern, Aufzügen usw. eingesetzt.

Der elektrische Schrittmotor

In der Regel rotieren Elektromotoren ständig. Allenfalls können sie etwas schneller oder langsamer drehen oder die Drehrichtung ändern. Es gibt jedoch eine Art von Motor, die mit nicht-konstanter Bewegung arbeitet. Vielmehr basiert die Drehung auf elektrischen Impulsen in einem variablen Winkel, wobei er sich nach Bedarf vorwärts oder rückwärts bewegen kann.

Diese Art von Motor, bekannt als Schritt-für-Schritt-Motor, ist vor allem für den Betrieb von Robotern nützlich, wenn Arme oder Gelenke unter einem bestimmten Winkel positioniert werden müssen. Die Schrittmotoren haben mehrere Statoren (Elektromagnete), die oft in Winkeln von 90° oder 45° angeordnet sind. Durch die Steuerung der Polung der Elektromagnete können sehr präzise Drehungen erreicht werden, die mit speziell entwickelten Rotoren gesteuert werden.

Während diese Art von Motoren seit Jahren bekannt ist, wurde ihre Anwendung erst praktiziert, als elektronische Systeme – insbesondere digitale Medien – verfügbar waren, die in der Lage sind, Impulse schnell und einfach zu erzeugen. Tatsächlich werden diese Motoren im Falle von Robotern direkt von Computern gesteuert.

Die Steuerung der Drehzahl bei DC-Motoren

Bei Gleichstrom-Elektromotoren ist die Kontrolle der Drehzahl einfach:

• Drehrichtung ändern: Hierfür muss nur die Polarität des Stroms umgekehrt werden.
• Drehzahl ändern: Man muss bedenken, dass diese proportional zur Spannung ist, mit der der Motor gespeist wird. Deshalb wirkt die Eingangsgröße auf den Stromabnehmer.

Da mit steigender Spannung die Geschwindigkeit des Motors zunimmt, erreicht dieser seine maximale Geschwindigkeit bei Volllast. Aufgrund dieser Merkmale werden Gleichstrommotoren in bestimmten Maschinen eingesetzt. Sie waren vor allem für elektrische Bahnen und Straßenbahnen vorgesehen, obwohl derzeit viele davon bereits mit Wechselstrom betrieben werden.