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Elektromotor als Antriebsvariante

 

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Ein Elektromotor ist ein elektromechanischer Wandler (elektrische Maschine), der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. In herkömmlichen Elektromotoren erzeugen stromdurchflossene Leiterspulen Magnetfelder, deren gegenseitige Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Bewegung umgesetzt werden. Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum sehr ähnlich aufgebauten Generator, der Bewegungsleistung in elektrische Leistung umwandelt. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch für translatorische Bewegungen gebaut sein (Linearantrieb). Elektromotoren werden zum Antrieb vieler Gerätschaften, Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge eingesetzt.

 

Geschichte

1820 entdeckte der dänische Physiker und Philosoph Hans Christian Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms, ein grundlegendes Phänomen des Elektromagnetismus. Ein Jahr später veröffentlichte Michael Faraday seine Arbeitsergebnisse über „elektromagnetische Rotation“. Er konstruierte eine Vorrichtung, bei der ein elektrischer Leiter um einen festen Magneten rotierte und im Gegenexperiment ein beweglicher Magnet um einen festen Leiter. 1822 entwickelte Peter Barlow das nach ihm benannte Barlow-Rad. Der britische Wissenschaftler William Sturgeon erfand 1832 einen weiteren Motorvorläufer.

Auf dem europäischen Kontinent wirkten Ányos Jedlik (1827) und Hermann Jacobi an der Weiterentwicklung des Gleichstrom-Elektromotors. So entwickelte Jacobi bereits 1834 den ersten praxistauglichen Elektromotor in Potsdam und stattete 1838 in Sankt Petersburg ein sechs Personen fassendes Boot mit dem von ihm entwickelten 220 Watt starken Motor aus, was somit zugleich die erste Anwendung eines Elektromotors in der Praxis darstellte. Auch der US-amerikanische Grobschmied Thomas Davenport entwickelte in Vermont einen Kommutator-Motor. Auf sein Design wurde ihm am 25. Februar 1837 ein Patent erteilt.

Damit war um 1837/1838 die Grundlage für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und auch bis zur anwendungstauglichen Arbeitsmaschine entwickelt. Werner von Siemens ließ im Jahre 1866 seine Dynamomaschine patentieren. Sie ermöglichte erstmals eine Erzeugung elektrischer Energie in größerem Umfang. Dies verhalf dem Elektromotor zum Durchbruch für eine Praxistaugliche, weitverbreitete Anwendung. Daneben gab es zu jener Zeit auch einige technische Entwicklungen von andersartigen Elektromotoren, welche aber letzten Endes keine Bedeutung erlangten. Dazu zählt unter anderem der Egger-Elektromotor, welcher ähnlich wie eine Dampfmaschine aufgebaut ist, und das elektrische Kraftrad von Johann Kravogl.

Ab etwa 1880 wurden in vielen Staaten Elektronetze und Kraftwerke aufgebaut. In Deutschland war beispielsweise Emil Rathenau mit seiner Allgemeinen Electricitäts-Gesellschaft Vorreiter und in Amerika Thomas Alva Edison. Mit der großflächigen Bereitstellung von elektrischer Energie breitete sich der Elektromotor dann schnell aus. Gemeinsam mit der Chemischen Industrie war diese Elektrifizierung das wichtigste Merkmal der zweiten industriellen Revolution. Die öffentlichen Pferdebahnen wurden durch elektrische Straßenbahnen ersetzt, und im Gewerbe verwendete man nun Elektromotoren anstatt der Dampfmaschine zum Antrieb verschiedenster Arbeitsmaschinen.

 

Funktionsprinzip

Im Elektromotor wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Zunutze macht man sich dabei das Phänomen Magnetismus: Wie wir wissen, stoßen sich gleiche Pole ab und unterschiedliche Pole ziehen sich an. Mit elektrischem Strom ist es möglich, ein nicht magnetisch geladenes Teil magnetisch zu machen. Und auch die Polarität lässt sich beeinflussen, je nachdem in welche Richtung der Strom fließt. In einem einfachen Elektromotor gibt es einen festen magnetischen Teil (Stator) und einen beweglichen Teil (Rotor), der durch Strom magnetisch gemacht wird. Wenn nun durch die elektrische Aufladung zwei Plus-Pole einander zugewandt sind, dann stoßen sie sich ab und der bewegliche Teil des Elektromotors dreht sich. Bei jeder halben Umdrehung wechselt automatisch die Stromrichtung. So wird sichergestellt, dass die Maschine permanent in Bewegung bleibt und nicht am Totpunkt stehen bleibt.

 

Wie lässt sich diese Bewegung nun nutzen?

Ganz einfach: Der Rotor, also der bewegliche Teil, ist fest auf einer Achse verbaut. Diese dreht sich zusammen mit dem Rotor, und was immer mit der Achse verbunden ist, dreht sich ebenfalls. Diese mechanische Energie kann für viele verschiedene Zwecke genutzt werden. Bei einem kleinen Motor könnte die Achse zum Beispiel einen Ventilator betreiben. Oder die Achse könnte, bei einem sehr großen Motor, die Räder einer Lokomotive in Bewegung setzen. Durch die Menge der zugeführten Energie lässt sich die Geschwindigkeit des Motors steuern. Und wie bei jedem anderen Motor auch, können natürlich etliche Anbauteile eingesetzt werden, die noch mehr Möglichkeiten eröffnen, die mechanische Energie optimal zu nutzen.

 

Aufbau: Aus diesen Teilen besteht ein Elektromotor

Ein paar Fachbegriffe zum Thema Elektromotor sind oben bereits gefallen. In diesem Kapitel wollen wir uns nun die einzelnen Bestandteile des E-Motors genauer ansehen.

 

Stator

Als Stator wird der unbewegliche Teil des Elektromotors bezeichnet. Je nach Motortyp kommt hier entweder ein Dauermagnet zum Einsatz oder ein Elektromagnet. Bei den meisten Motoren liegt der Stator außen und ist mit dem Gehäuse verbunden. Es gibt aber auch Motoren, bei denen der unbewegliche Teil innen liegt und der Rotor um den Stator rotiert. In diesem Fall spricht man dann von einem Außenläufer.

 

Rotor

Der bewegliche Teil des Elektromotors wird als Rotor, Anker oder Läufer bezeichnet. In den meisten Fällen besteht der Rotor aus einer Achse und einer Spule aus lackiertem Kupferdraht, durch die der Strom fließt und den Rotor zum Elektromagneten macht.

 

Anker

Anker wird häufig als Synonym für den Rotor benutzt, beschreibt aber im engeren Sinne den Eisenkern des Rotors, um den die Spulen gewickelt sind.

 

Kommutator

Der Kommutator hat seinen Namen aus dem lateinischen Wort commutare (=vertauschen) und ist dafür zuständig, dass die Stromrichtung wechselt. Er wird deshalb häufig auch als Stromwender bezeichnet. Mit der Stromrichtung ändert sich auch das Magnetfeld des Elektromagneten. Dies ist nötig, damit der Motor nicht stehen bleibt. Der Kommutator ist in vielen Fällen eine Scheibe aus Metall, die in zwei voneinander isolierten Segmente unterteilt ist, und die sich mit der Achse des Motors dreht. Die Stromversorgung erfolgt meist durch Kohlebürsten, die an den Kommutator gedrückt werden. Nach einer halben Umdrehung des Motors wird die Stromzufuhr kurz unterbrochen, dann fließt der Strom umgekehrt durch die Spule.

 

Stromquelle

Ohne Elektromagneten funktioniert kein Elektromotor. Daher muss jeder E-Motor über eine Stromquelle verfügen, die den eigentlich nicht-magnetischen Rotor zu einem Elektromagneten macht.

 

Bürste

Mit Bürsten, die häufig aus Graphit bestehen, wird der Rotor über den Kommutator mit Strom versorgt.

 

Kondensator

Ein Kondensator speichert Energie und gibt sie gezielt ab. Viele E-Motoren haben Betriebskondensatoren, die dafür sorgen, dass der Motor startet, in die richtige Richtung dreht und gleichmäßig seine Kraft entfaltet. Sehr große Maschinen können zusätzlich auch einen Anlaufkondensator haben. Die Kondensatoren sind häufig außen am Gehäuse des Motors angebracht. Sie sind vergleichsweise günstige Verschleißteile und häufig die Ursache, wenn der Elektromotor nicht anläuft

 

Verschiedene Typen

Es gibt etliche verschiedene Typen von Elektromotoren. Alle Arten aufzuzählen, würde unseren Blog an dieser Stelle sprengen. Zumindest die wichtigsten Arten von Elektromotoren wollen wir hier aber kurz vorstellen. Ganz grob werden E-Motoren in zwei Klassen unterteil: Gleichstrom-Motoren und Dreh- oder Wechselstrom-Motoren.

 

Gleichstrommotor (auch Kommutator-Motor genannt)

Gleichstrommotoren werden – wie der Name schon sagt – mit Gleichstrom betrieben. Sie sind daher auf den oben bereits erwähnten Kommutator angewiesen, um zu funktionieren. Dieser mechanische Wechselrichter sorgt dafür, dass der Strom automatisch bei jeder halben Umdrehung der Achse umgepolt wird.

Bei den Gleichstrommotoren unterscheidet man wiederum zwischen zwei Unterklassen: Den permanent erregten und den elektrisch erregten Motoren. Beim permanent erregten Gleichstrommotor ist der Stator ein Permanentmagnet und nur der Rotor ein Elektromagnet. Diese Bauart kommt zum Beispiel bei Ventilatoren oder Auto-Anlassern zum Einsatz.

Beim elektrisch erregten Gleichstrommotor sind beide Haupt-Bauteile Elektromagneten. Hier wird nochmals unterschieden zwischen Reihenschluss- bzw. Hauptschlussmotoren auf der einen und Nebenschlussmotoren auf der anderen Seite.

Der Unterschied: Beim Nebenschlussmotor haben Stator und Rotor jeweils eine eigene Stromquelle. Ein Hauptschlussmotor hat nur eine Stromquelle. Diese Maschinen können auch mit Wechselstrom betrieben werden und sind daher auch als Universalmotoren bekannt. Elektrisch erregte Gleichstrommotoren kommen in vielen Haushaltsgeräten zum Einsatz.

 

Wechsel -und Drehstrommotoren

Noch etwas komplizierter wird es beim Drehstrommotor. Ein Drehstrommotor wird mit Dreiphasenwechselstrom betrieben, der auch als Drehstrom oder umgangssprachlich als Starkstrom bezeichnet wird. Der Stator der Motoren besteht aus drei Spulen, die von je einer Leiterspannungsphase des Drehstroms gespeist werden. Die drei Phasen des Wechselstroms sind in ihrer Phase um jeweils 120 Grad verschoben. Das jeweils um ein Drittel versetzte Magnetfeld sorgt dafür, dass der Rotor rotiert.

 

Auch bei den Drehstrommotoren wird unterschieden zwischen zwei Unterklassen:

Synchron- und Asynchronmaschinen. Bei den Asynchronmaschinen läuft Der Rotor in seiner Frequenz der des Magnetfeldes hinterher. Bei Synchronmaschinen ist die Frequenz von Rotor und Magnetfeld identisch. Was sich nach einem kleinen Detail anhört, macht in der Praxis einen gewaltigen Unterschied. Synchronmotoren sind deutlich effizienter und können einen Wirkungsgrad von bis zu 90% erreichen. Sie sind allerdings auch teurer in der Herstellung und der Betrieb ist wartungsintensiv. Daher werden sie nur selten eingesetzt, zum Beispiel in Verdichtern, in Schiffsantrieben oder in Häckslern. Etwas häufiger ist der Einsatz als Generator – also im umgekehrten Fall, in dem mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden soll.

 

Ganz anders beim Asynchronmotor:

Dieser Motortyp ist günstig und gilt als sehr robust.  Drehstrom-Asynchronmaschinen sind daher nicht zufällig die mit Abstand am weitesten verbreiteten Elektromotoren. Geschätzt rund 80% aller weltweit durch Elektromotoren verbrauchten Energie geht auf das Konto von Asynchronmotoren. Sie werden in fast allen Bereichen der Industrie eingesetzt, zum Beispiel als Antrieb in Werkzeugmaschinen, Lüftern, Pumpen oder Förderbändern.

 

Einsatzgebiete

Die Einsatzgebiete von Elektromotoren sind extrem vielfältig. Kaum eine moderne Errungenschaft wäre ohne Elektromotoren denkbar. Vom kleinen Lüfter, der den Computer kühlt oder im Auto für Frischluft sorgt, über die Waschmaschine bis zu Industrie-Motoren oder Schiffsmotoren mit vielen Megawatt Leistung geht die Bandbreite. Einige Beispiele aus den Sektoren Industrie und Mobilität wollen wir in den folgenden Kapiteln vorstellen.

 

Einsatz in der Industrie

Die Anwendungsgebiete von Elektromotoren in der Industrie werden in zwölf Kategorien aufgeteilt. Sie alle haben unterschiedliche Anforderungen – daher kommen auch unterschiedliche Motortypen zum Einsatz.

  • Antriebe von Förderbändern (robust und zuverlässig – Dauerbetrieb).
  • Antriebe von Fahrzeugen zum Materialtransport (hohe Präzision).
  • Antriebe von Kranen, Bauaufzügen oder anderen Hebevorrichtungen.
  • Positionierungsantriebe, mit denen zum Beispiel einzelne Bauteile an den Ort der Bestimmung transportiert werden.
  • Antriebe von Industrierobotern.
  • Gleichlaufantriebe, zum Beispiel zum Walzen oder Drucken.
  • Antriebe zum Auf- und Abwickeln, etwa von Stahlblech oder Papier (Besondere Anforderung hier: Die Geschwindigkeit muss ständig dem Umfang der Rolle angepasst werden).
  • Taktantriebe für Querschneider oder fliegende Sägen (das Material bewegt sich während des Schnitts).
  • Antriebe mit ungleichförmiger Bewegung, wie sie zum Beispiel beim Stanzen zum Einsatz kommen.
  • Antriebe für Umformprozesse, zum Beispiel Pressen.
  • Werkzeugantriebe, zum Beispiel Bohren, Fräsen oder Schleifen.
  • Antriebe von Ventillatoren oder Pumpen.

 

Die Effizienz von Elektromotoren in der Industrie

Der Umweltschutzgedanke hat in den vergangenen Jahrzehnten nicht nur im privaten Bereich zu immer höheren Anforderungen an die Effizienz von Elektrogeräten geführt. Auch die – in der Regel in der Industrie eingesetzten – Niederspannungs-Drehstrom-Asynchronmotoren haben eigene Effizienzklassen. Was beim Kühlschrank eine Skala von G bis A (beste) ist, ist bei Niederspannungs-Drehstrom-Asynchronmotoren im Leistungsbereich von 0,75 kW bis 375 kW die Skala von IE1 bis IE4 (beste). Motoren mit dem Standard-Wirkungsgrad der Klasse IE1 dürfen seit 2011 nur noch eingeschränkt verkauft werden.

 

Elektromobilität

Auch wenn Elektroautos und Ebikes gefühlt erst seit ein paar Jahren in aller Munde sind – die Geschichte der Elektromobilität geht bis ins 19. Jahrhundert zurück. In Zügen und Straßenbahnen hat sie sich sehr schnell durchgesetzt. Bei anderen Transportmitteln wie dem Auto und dem Fahrrad hat es mehr als 100 Jahre gedauert, ehe die Technik wirklich Ihren Durchbruch hatte.

 

Im Auto

Als das Automobil noch in den Kinderschuhen steckte, war die Frage, welche Antriebsart sich einmal als Standard durchsetzen würde, keineswegs so schnell zu Gunsten des Verbrennungsmotors entschieden, wie man heute vielleicht denken könnte. Die Maschinenfabrik A. Flocken baute 1888 den ersten vierrädrigen Personenkraftwagen mit Elektroantrieb in Deutschland. Im Jahre 1900 waren in den USA 40% aller Autos dampfbetrieben, 38% fuhren elektrisch und nur 22% mit Benzin. Doch schon bald wurde das Elektroauto zum Nischenprodukt. Die empfindlichen Akkus und die viel geringere Reichweite waren große Nachteile des E-Autos, die für den Verbrennungsmotor sprachen. Der Elektromotor kam nur noch bei Anbauteilen zum Einsatz, zum Beispiel bei der Innenraumbelüftung oder beim Anlasser.

Neue Entwicklungen bei den Akkus und der Fortschritt beim Umweltschutz sorgten dafür, dass das Thema in den 1990er Jahren wieder auf die Tagesordnung kam. Doch erst das US-Unternehmen Tesla, das 2006 seinen Roadster vorstellte, brachte endlich Dynamik in den Markt der E-Autos. Heute haben fast alle großen Hersteller reine Elektroautos oder zumindest Plug-In-Hybride im Angebot.

 

Welcher Elektromotor kommt im Auto zum Einsatz?

Es gibt verschiedene Konzepte, die für den Antrieb eines Elektroautos in Frage kommen, zum Beispiel umrichtergeführte Synchron- und Asynchronmotoren, aber auch Gleichstrommotoren. Der BMW i3 zum Beispiel hat einen 170PS starken Hybrid-Synchronmotor im Heck. Im e-Golf von VW tut eine 115 PS starke permanentmagneterregte Synchronmaschine Ihren Dienst. Der Kleinwagen Renault Zoe hat einen fremderregten Drehstrom-Synchronmotor mit 92 PS Maximalleistung.

 

Elektromotor vs. Verbrennungsmotor

Es gibt etliche Bereiche des Lebens, in denen Elektromotoren sich weitgehend oder gar vollständig gegen Verbrennungsmotoren durchgesetzt haben. Steht uns diese Zeit bald auch beim Thema Mobilität bevor? Mit Volvo hat der erste renommierte Autohersteller bereits angekündigt, mittelfristig komplett auf E-Motoren setzen zu wollen. Höchste Zeit also, die Vor- und Nachteile von Elektromotoren und Verbrennungsmotoren einmal gegenüberzustellen.

 

Einfacherer Aufbau: Ein Verbrennungsmotor ist wesentlich komplizierter als ein vergleichbarer Elektromotor. Während ein typischer Pkw-Motor heute aus etwa 1400 Einzelteilen besteht, kommt ein vergleichbarer E-Motor mit nur 1000 Einzelteilen aus. Je weniger komplex ein Motor ist, desto weniger anfällig ist er in der Regel für Fehler und desto kostengünstiger ist die Wartung.

 

Geringes Gewicht: Ein Elektromotor ist deutlich leichter als ein Verbrennungsmotor. Bei gleicher Leistung ist ein Benzinmotor etwa viermal so schwer. Allerdings gilt dies nur für den Motor selbst, der Vorteil wird durch die schweren Akkus wieder zunichte gemacht.

 

Leistungsentfaltung:

Klarer Vorteil für den Elektromotor. Ein E-Motor kann schon kurz nach dem Anlaufen sein volles Drehmoment abrufen. Ein Verbrennungsmotor benötigt in der Regel eine bestimmte Drehzahl, um das maximale Drehmoment zu erreichen – um diesem Wert im Betrieb möglichst nahe zu kommen, wird die Drehzahl über ein Getriebe angepasst. Beim E-Motor wird ein Getriebe in den meisten Fällen nicht benötigt.

 

Weniger Lärm:

Neben dem Vorteil, dass beim Betrieb eines Elektroautos keine Schadstoffe ausgestoßen werden (die fallen allerdings schon zuvor bei der Produktion des Stroms an), hat der Elektromotor den Vorteil, dass er deutlich leiser ist.

 

Geringe Energiedichte:

Der vielleicht größte Nachteil des E-Motors ist die geringe Energiedichte der Akkus. Die Stromspeicher kommen bei weitem nicht an die Energiedichte von Benzin oder Diesel heran. Deshalb werden viele Akkus benötigt, um eine Reichweite zu ermöglichen, die der eines Verbrennungsmotors zumindest nahekommt. Die Akkus sind schwer – der Vorteil des geringen Gewichts ist damit passé.

 

Schwache Infrastruktur:

Auch beim Thema Tanken zieht das Elektroauto derzeit noch den Kürzeren. Die Infrastruktur wird zwar kontinuierlich ausgebaut – aber würden von heute auf morgen alle Autos nur noch Strom tanken, wäre das absolute Chaos programmiert. Weil der Ladevorgang beim Elektroauto – Schnelllader hin oder her – deutlich länger dauert als das Betanken mit 50 Liter Benzin oder Diesel, wären vermutlich deutlich mehr Ladestationen nötig als es heute Zapfsäulen gibt. Ansonsten wäre die Versorgung zumindest zu typischen Reisezeiten (Ferienbeginn) nicht gewährleistet.

 

Heizen geht auf die Reichweite:

Eigentlich ist es ja ein Vorteil, dass beim Betrieb eines Elektromotors kaum Abwärme entsteht (siehe unten: Energiebilanz): Im Winter aber zeigen sich auch die Schattenseiten. Weil der Motor den Innenraum nicht aufheizt, muss mit Strom geheizt werden. Die Nutzung der Heizung reduziert daher die Reichweite des E-Autos.

 

Effizienz und Ökobilanz:

Die Energiebilanz von Elektroautos ist deutlich besser als die eines Autos mit Verbrennungsmotor – trotz der aufwändigen Produktion der Akkuzellen. Auf den gesamten Lebenszyklus betrachtet stößt ein E-Auto mindestens 30% weniger CO2 aus. Auf den ersten Blick ist der Elektromotor sogar meilenweit im Vorteil: 90% der eingesetzten Energie wird in Bewegung umgesetzt – beim Verbrennungsmotor sind es nur 30%, der Rest geht hier durch Wärme und Reibung verloren. Allerdings darf man zwei Dinge nicht vergessen: Ein Elektromotor ist nur so umweltfreundlich wie die Quelle, aus der der Strom kommt. Stammt er aus Kohlekraftwerken, verliert der E-Motor. Je mehr saubere oder erneuerbare Energiequellen zum Einsatz kommen, desto besser schneidet der Elektromotor natürlich ab. Auch bei der Produktion der Akkus wird viel Energie benötigt. Und auch hier spielt die Art der Energiequelle eine entscheidende Rolle, wie die Ökobilanz des Elektroautos ausfällt.

 

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