Arten von Motoren und deren Wirkungsweise

Wirkweise von Gleichstrommotoren

Die grundlegenden Bauteile eines Gleichstrommotors sind folgende

1. Der Feldmagnet, der auch Stator genannt wird
2. Der drehbar gelagerte Anker, der auch als Rotor oder Läufer bezeichnet wird
3. Der Kollektor und die Kohlebürsten, die die Ankerwicklung mit elektrischer Energie versorgen

Es gibt unterschiedliche Weisen das Funktionsprinzip eines Gleichstrommotors zu erklären.

In dem Magnetfeld des Stators, also der Feldmagnet (Dauer bzw. Elektromagnet) befindet sich der Rotor. Der Anker besteht aus mehreren stromdurchflossenen Leitern. Befinden sich stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld wirken Kräfte. Da der Rotor drehbar in dem Magnetfeld gelagert ist bewirken die Kräfte, die außerhalb der Drehachse angreifen, ein Drehmoment. Dieses Drehmoment führt dann zu einer Rotationsbewegung des Rotors.

Eine andere Betrachtungsweise wäre die, dass durch den Feldmagneten, also dem Stator, ein magnetisches Feld aufgebaut wird. In dem Feld ist der Rotor also der drehbargelagerte Elektromagnet. Der Anker wird über Schleifkontakte die sogenannten Kohlebürsten an eine Spannungsquelle angeschlossen. Der im Anker fließende Strom sorgt dafür, dass sich im Anker magnetische Pole bilden. Durch das Magnetfeld im Stator und das Magnetfeld im Anker wird ein Drehmoment erzeugt. Ungleiche Magnetpole ziehen sich an und gleiche Magnetpole stoßen sich ab. Die so entstehenden anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den Magnetpolen sorgen dafür, dass eine Drehbewegung entsteht.

Drehstromasynchronmotor

Der am weltweit häufigste verbaute Elektromotor ist der Drehstromasynchronmotor. Sein größter Vorteil im Vergleich zu anderen Elektromotoren besteht darin, dass er ohne Schleifkontakte auskommt. Dadurch ist er in seiner Bauweise äußert robust, sehr wartungsarm und betriebssicher. Asynchronmotoren werden in den verschiedensten Leistungsgrößen gebaut, so haben die kleinsten Drehstromasynchronmotor wenige Watt bis zu den großen Antrieben mit mehreren 10 Megawatt. Zur Verhinderung von Wirbelströmen und den damit einhergehenden Verlusten durch das magnetische Drehfeld sind beide Hauptteile, also der Ständer und der Rotor, geblecht ausgeführt. Das bedeutet, dass man anstelle eines einzelnen Eisenkerns diesen aus mehreren gegeneinander isolierten, einzelnen Blechen aufbaut. In diesen geblechten Eisenkernen befinden sich über den Umfang gleichmäßig verteilte Nuten in die die jeweiligen Wicklungen eingebracht sind (Ständer-und Läuferwicklung). Der Ständer und der Läufer sind durch einen kleinen Luftspalt getrennt.

Die Ständerwicklung wird in den meisten Fällen als symmetrische Drehstromwicklung ausgeführt. Eine Drehstromwicklung besteht aus drei einzelnen Wicklungssträngen die bei einem Motor mit einer Polpaarzahl von p=1 um 120° räumlich gegeneinander versetzt angeordnet sind.  Die Polpaarzahl bestimmt hinterher die Drehzahl des Motors. So hat das Drehfeld bei einer Polpaarzahl von p=1 und einer Frequenz von 50 Hz eine Drehzahl von 3000 U/min (synchron).

Die Drehzahl lässt sich wie folgt berechnen:

nd= f*60/p

nd= Drehfelddrehzahl
f= Frequenz
p=Polpaarzahl

Die drei einzelnen Stränge werden, je nach zur Verfügung stehender Spannung, entweder im Stern oder im Dreieck geschaltet. 

Betrachten wir nun den Läufer. Hier gibt es 2 unterschiedliche Ausführungen. Zum einen der Drehstromasynchronmotor mit Schleifringläufer und den Drehstromasynchronmotor mit Kurzschlussläufer. Der Schleifringläufer besitzt auch im Läufer eine Drehstromwicklung, die im Stern oder Dreieck geschaltet wird. Die Schaltenden der Läuferwicklung werden über drei Schleifkontakte, also für jeden Wicklungsstrang einen Schleifkontakt, zugänglich gemacht.

Durch das mit 50 Hz drehende Magnetfeld im Stator wird (Prinzip der Induktion) ein Magnetfeld im Anker erzeugt. Der Kugelgelagerte Anker wird nun über das Magnetfeld in eine Drehbewegung versetzt. Die Drehzahl des Ankers, ist bei Nennlast immer unterhalb der Drehfelddrehzahl. Diese Drehzahldifferenz wird als Schlupf bezeichnet.