April 29 2009

Elektromotor

Gliederung:

  1. Geschichte der Elektromotoren
  2. Aufbau und Funktionsweise eines Gleichstrommotors
  3. Wechselstrommotoren
  4. Energieumwandlung und Wirkungsgrad
  5. Anwendungsbeispiele und Vor- und Nachteile eines Elektromotors

Geschichte des Elektromotors:

1819, mit der Entdeckung des Elektromagnetismus, fand auch die Entwicklung von Elektromotoren ihren anfang. Michael Faraday veröffentlichte in diesen Jahr seine Arbeitsergebnisse über die elektromagnetischen Rotation. Er konstruierte eine Vorrichtung in welcher ein elektrischer Leiter um einen festen Magneten rotierte. Weitere Vorläufer des Elektromotors wurden von Peter Barlow (Barlow-Rad) und William Sturgeon.

In Europa waren Anyos Jedlik und Hermann Jacobi für die Weiterentwicklung von Elektromotoren verantwortlich. Jacobi konnte schon im Jahre 1834 einen funktionsfähigen Elektromotor in Potsdam entwickeln. 1838 schickte er dann in Sankt Petersburg ein Boot mit einen 220 Watt starken Motor auf  Reisen. Dieses Boot erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 2, 5 KM/H. Dieser Motor konnte durch weitere Verbesserungen noch auf eine Leistung von 700 Watt gesteigert werden.

Damit war der Weg des Elektromotors geebnet, der Durchbruch des Elektromotors kam allerdings erst mit der Entwicklung der Dynamomaschine, mit welcher man in großen Umfang elektrische Energie erzeugen konnte.

Aufbau und Funktionsweise eines Gleichstrommotors

Der Gleichstrommotor besteht aus 4 notwendigen Bestandteilen. Zum einen ist da der Stator, das ist der feste, unbewegliche Teil des Motors. Dieser besteht aus einen Permanent- oder aber aus einen Elektromagneten. Zum Stator hinzu kommt dann der Rotor, auch Anker genannt, welcher aus mindestens einer Spule besteht. Dann brauchen wir noch eine Stromquelle und einen Kommutator, auch Stromwender genannt.

Wie funktioniert das ganze? Gehen wir jetzt einmal davon aus das der Stator aus einen Permanentmagneten besteht, einen Hufeisenmagneten. Dieser Magnet hat zwei Pole (wie jeder Magnet) und zwar einen Nord und einen Südpol. Ein Hufeisenmagnet ist aufgebaut wie ein Hufeisen, dass heißt in der Mitte zwischen den beiden Polen ist ein Freiraum. In diesen Freiraum tun wir jetzt die Spule einfügen, welche beweglich gelagert ist und somit Rotieren kann. Nun passiert aber noch nicht wirklich viel, deswegen schließen wir die Spule an der Stromquelle an. Hierbei baut sich in der Spule ein Magnetfeld auf.

Insgesamt haben wir jetzt also schon zwei Magnetfelder. Ein Magnetfeld befindet sich im Stator, dass andere in der Spule. Zu den Eigenschaften von Magneten gehört, dass sich gleiche Pole abstoßen und ungleiche Pole anziehen.

Wenn wir nun also davon ausgehen, dass sich jeweils die gleichnamigen Pole gegenüber stehen, entsteht hier eine Abstoßung. Da der Stator sich nicht bewegen kann, fängt nun der Rotor an sich zu bewegen. Der Rotor dreht sich allerdings nur solange, wie die Abstoßung wirkt. Nach einer halben Drehung der Spule sind aber die Pole so ausgerichtet, dass sich jeweils die ungleichnamigen Pole anziehen. Es passiert also nichts mehr. Hier kommt nun der Kommutator ins Spiel. Dieser ist zwischen die Spule und der Stromquelle gebaut. Der Kommutator dreht sich mit der Spule mit und ist so aufgebaut, dass er den Stromfluss regelmäßig unterbricht, gleichzeitig vertauscht sich die Richtung in welcher der Strom durch die Spule fließt. Und somit auch der Nord und der Südpol. Dass heißt, bevor sich die ungleichnamigen Pole gegenüber liegen, ändert der Strom in der Spule seine Richtung und somit ändert sich auch die Polung der Spule. Somit liegen sich wieder die gleichnamigen Pole gegenüber und der Rotor dreht sich wieder um eine halbe Runde, da nun aber andauernd der Stromwender die Stromrichtung in der Spule ändert, dreht er sich immer weiter, da sich die ungleichen Pole nie gegenüber stehen.

Wechselstrommotor:

Der Wechselstrommotor funktioniert eigentlich genauso. Hier ist nur der Unterschied, dass der Wechselstrom ständig seine Flussrichtung wechselt und sich so die Pole in der Spule andauernd wechseln. Wenn wir hier jetzt einen Permanentmagneten im Stator benutzen würden, würde es wahrscheinlich nie zu einer Rotation kommen, daher wird im Wechselstrommotor dieser Permanentmagnet durch einen Elektromagneten ausgetauscht. Nun wechseln sich nicht nur im Rotor immer wieder die Pole sondern auch im Stator und somit stellt sich wieder ein Gleichgewicht her.

Energieumwandlung und Wirkungsgrad

Was passiert nun aber in so einen Motor? Nun wir führen elektrische Energie zu, diese wird in der Spule dazu verwendet um ein Magnetfeld aufzubauen. Dieses Magnetfeld wirkt nun in Verbindung mit dem Magnetfeld im Stator so, dass sich die Pole Abstoßen und Anziehen. Dadurch entsteht eine Drehbewegung und somit ein Drehmoment. Dieses Drehmoment ist nun die mechanische Energie. Im Motor wird also elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt.

Der Wirkungsgrad dieser Elektromotoren ist ziemlich hoch, allerdings werden nicht hundert Prozent der elektrischen Energie in mechanische Energie umgewandelt. Ein geringer Teil wird in Wärme und Reibung umgesetzt, der größere Teil wird aber in die mechanische Energie umgesetzt. Ein Motor hat in etwa einen Wirkungsgrad von 0,7 bis 0,95.

Anwendungen:

Der Elektromotor wird in ziemlich vielen Geräten benutzt. Angefangen bei der Elektrozahnbürste, über den Rasenmäher bis hin zum Auto. Allerdings ist die Verwendung im Auto noch nicht all zu ausgeprägt, da es hier Probleme mit der Speicherung von ausreichend Energie gibt um dass Auto auch vernünftige Strecken fahren zu lassen.


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Veröffentlicht29. April 2009 von Sven in Kategorie "Physik

12 COMMENTS :

  1. By Dani Schenker (3 comments) on

    oh man. das waren noch zeiten als ich das lernen musste. ich mochte es ueberhaupt nicht…

  2. By Teufel100 (672 comments) (Beitrag Autor) on

    lach, da muss man durch, ich besonders, dass ist mein Vortrag den ich in Physik halten muss 😉

    Gibt hier demnächst auch noch eine Audio-Datei, aber ohne Bilder ist dieses Thema sehr schwer zu erklären 😉

  3. Pingback: Nachtrag Elektromotor » Sven’s kleiner Blog

  4. By GroßerHai (1 comments) on

    Und wast hast du als Note bekommen??

  5. By Teufel100 (672 comments) (Beitrag Autor) on

    Eine Zwei ist also noch Ausbaufähig der Vortrag 😉

  6. By Stefan (13 comments) on

    „Allerdings ist die Verwendung im Auto noch nicht all zu ausgeprägt […]“
    Das stimmt nicht ganz. Als Ersatz für einen Verbrennungsmotor hast Du vollkommen Recht. Ansonsten sind im modernen (komfortbetonten) Fahrzeug zahlreiche Gleichstrommotoren im Einsatz. Angefangen vom Scheibenwischer, über den Fensterheber, Zentralverriegelung, Umluft, Klappenantriebe u.v.m.
    Wollte ich nur mal kurz ergänzt haben 🙂

  7. By franzi (33 comments) on

    hat mir sehr geholfen deinen beitrag! vielen daaaank! mfg franzi

  8. By Ruprecht Helms - entwicklung (2 comments) on

    Inzwischen gibt es sogar Elektromotoren, die nach dem Linearprinzip arbeiten. Ich hatte mir mal den Direktantrieb vom legendären Techniks 1210 (dem Discothekenlaufwerk schlechthin) mal angesehen. Das bestand aus ca 20 Spulen und einer Eisenscheibe, die am Plattenteller angebracht war. Durch die Trägheit kann ich mir bei solchen Motoren vorstellen, dass nach dem Impulsanstrossprinzip gearbeitet werden kann. Da die einzelnen Spulen parallelgeschaltet werden konnten (zumindest theoretisch) werden diese auch die Schnellbremsfunktion bewerkstelligt haben.

    Die früheren Elektromotoren hatten zumindest immer auch ein kleines Nachlaufproblem. Soetwas muss man natürlich auch immer berücksichtigen.

  9. By Lukas (10 comments) on

    Das ist mir doch schonmal eine kleine Hilfe bei meinem Referat 😀 habe jetzt schon ein wenig muffensausen… 😀 hoffe das ganze geht gut 🙂

  10. By Daniel (7 comments) on

    Danke genau das hab ich gebraucht hab zwar selber schon was zusammen gebastelt aus verschiedene Seiten (Wikipedia, …) aber des von dir ist glaub 100 mal besser. Danke

  11. By Horan (1 comments) on

    Kannnst du irgendwas noch über den Kommutator hochladen?
    So wie du es hier beim Elektromotor gemacht hast? Das wäre ziemlich nett, denn im Internet finde ich leider nichts über den Aufbau und die Funktion über den Kommutator:(

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