Grundlagen: Elektromotor
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Der Begriff Elektromotor bezieht alle Motoren ein, die über elektromagnetische Kräfte angetrieben werden. Dabei wird elektrische Leistung in mechanische Leistung transformiert, um eine Bewegung zu erzeugen. Meist handelt es sich hier um eine Rotation, die mechanisch über eine Welle weitergegeben wird und damit eine Maschine antreibt. Der Elektromotor findet sich in Fahrzeugen von Lkw bis Schiffen sowie in zahlreichen Industriemaschinen bis hin zum herkömmlichen Ventilator für den Hausgebrauch.
In vielen hochspezialisierten Einsatzbereichen hat der Elektromotor den Verbrennungsmotor schon lange vor der Energiewende verdrängt. Das liegt an der hohen Wandelbarkeit und Flexibilität, sowie an der deutlich präziseren Steuerbarkeit, die die Antriebstechnik mit sich bringt. Vor allem in der Industrie ist der Elektromotor daher in vielen Bereichen alternativlos in puncto Effizienz und Anpassungsfähigkeit.
Folgender Beitrag behandelt Funktionsweise, Einsatzgebiete und Varianten – darunter im Einzelnen:
Inhaltsverzeichnis
- Definition Elektromotor und Verhältnis zum Generator
- Grundsätzliche Funktionsweise von E-Motoren anhand des Gleichstrommotors
- Drehstrommotoren: Varianten und Vorteile
- Beeinflussung der Spezifikationen durch bestimmte Bauweisen anhand von Servomotoren
- Anwendungsgebiete für den Elektromotor in Industrie, Landwirtschaft und Mobilität
- Der Elektromotor: Zusammenfassung
- Zum Abschluss: Interessant zu wissen
- Ausblick: Rolle von E-Motoren für die Automatisierung der Zukunft
Definition Elektromotor und Verhältnis zum Generator
Ein Elektromotor ist ein elektromagnetischer Wandler. Diese Bezeichnung ist äußerst präzise, da es die grundsätzliche Funktionsweise exakt beschreibt. Elektrische Leistung wird in mechanische Leistung gewandelt. Das Gegenstück dazu bildet der Generator. Auch dieser ist ein elektromagnetischer Wandler, wirkt aber genau umgekehrt und wandelt mechanische Leistung in elektrische. Die beiden Gegenstücke können auch gemeinsam genutzt werden, um über den Generator Energie für den Antrieb rückzugewinnen.
Grundsätzliche Funktionsweise von E-Motoren anhand des Gleichstrommotors
Der Elektromotor ist in mehreren Varianten aufbaubar, basiert aber in allen Varianten auf Magnetismus. Der Gleichstrommotor verfügt über die simpelste Bauweise: Durch einen elektromagnetischen oder permanentmagnetischen Stator wird im Zusammenspiel mit einem von einer Spule umwickelten Rotor ein elektromagnetisches Feld erzeugt. In diesem wird der Rotor (auch Anker) durch Anziehung und Abstoßung der gegenüberliegenden Pole in Bewegung versetzt.
Diese verfügen über eine entgegengesetzte Polarität. Der Rotor befindet sich dazwischen und wird von elektrischem Strom durchflossen. Die Rotorpolung wird von den Statoren angezogen, bzw. auf der anderen Seite abgestoßen.
Erfordernis der Umpolung im Gleichstrommotor
In diesem Aufbau würde der Rotor nun zur Ruhe kommen, sobald die jeweils entgegengesetzten Pole von Stator und Rotor aneinanderliegen. Um die Bewegung zu verstetigen, muss die Polung regelmäßig getauscht werden. Ein sog. Kommutator bzw. Polwender übernimmt diese Aufgabe. Sobald Minus- und Pluspol am sog. Totpunkt aneinanderliegen, wird die Polung getauscht. Nun liegen jeweils Minuspole und Pluspole aneinander und stoßen sich ab. Durch das Verstetigen dieses Prozesses kann eine gleichmäßige Rotation erzeugt werden.
Schematische Darstellung der Umpolung
Weiterentwicklung der Grundfunktion
Durch das genaue Regeln der Polung und des Stromflusses lassen sich die Bewegungen des Rotors weiter steuern. Zum einen lässt sich eine Beschleunigung bzw. Bremsung regeln und zum anderen auch das Ansteuern und Halten einer Position. In der einfachsten Form können letztlich aber nur die beiden Positionen an den Totpunkten gehalten werden und würden danach auch Anlaufhilfe benötigen.
Für eine präzisere Steuerung braucht es eine komplexere Bauweise. Hierzu kann der Anker quasi mehr „Arme“ erhalten. Es gibt beispielsweise Dreifachanker oder noch weiter erhöht sog. Trommelanker. Noch besser und präziser lässt sich ein Elektromotor aber in Form eines Drehstrommotors regeln.
Drehstrommotoren: Varianten und Vorteile
Der Drehstrommotor unterscheidet sich vom Gleichstrommotor im Wesentlichen durch den Aufbau des Stators. Dieser besteht hier aus drei Spulen, bzw. einem Vielfachen davon. Die Phasen sind dadurch nicht um 180 Grad, sondern um 120 Grad verschoben. Wird Strom angeschlossen, entsteht ein sog. Drehfeld. Dieses elektromagnetische Feld rotiert je nach angelegter Frequenz um den Mittelpunkt und wirkt auf die Spulen des Rotors, die davon in Bewegung gesetzt werden.
Aufbau Drehstrommotor
Drehstrom-Asynchronmotoren
Beim Asynchronmotor kann der Rotor sowohl als Schleifringläufer oder als Kurzschlussläufer konzipiert werden. In beiden Fällen folgt der Rotor dem Intervall der Netzfrequenz und dem dadurch umlaufenden Drehfeld. Durch die Wirkweise der angelegten elektromagnetischen Spannung wird dieser Elektromotor auch Induktionsmotor genannt.
Der Nachteil der Bauweise ist, dass der Rotor dem Drehfeld folgt und deshalb asynchron läuft – daher auch die Bezeichnung Drehstrom-Asynchronmotoren. Das erzeugt einen sog. Schlupf. Dieser beschreibt die zeitliche Diskrepanz zwischen Drehfeld- und Rotorbewegung. Zwar lässt sich der Schlupf in der Praxis durch den Reibungskontakt nicht vollständig auf Null Prozent reduzieren, allerdings kann dieser durch eine andere Bauweise stark optimiert werden. Es gibt daher auch annähernd synchron laufende Asynchronmotoren.
Für Drehstrom-Asynchronmotoren-Anwendungen sind sehr gute Rundlaufeigenschaften und ein großer Feldschwächebereich ausschlaggebend. Gute Anwendungsbeispiele sind Schneckenantriebe für Kunststoffspritzmaschinen, Spezialbohrmaschinen im Tiefbau, Maschinen mit Auf- und Abwicklern von Papier- und Metallbahnen, Pumpen, Lüfter, Elektrofahrzeuge oder Werkzeugmaschinen.
Drehstrom-Synchronmotoren
Der Drehstrom-Synchronmotor funktioniert ebenfalls über ein Drehfeld. Der Rotor ist aber anders aufgebaut. Statt über elektromagnetische Induktion funktioniert dieser mit Permanentmagneten. Da hier im Unterschied zum Asynchronmotor durch die Verwendung der Permanentmagneten keine Schleif- oder Bürstenkontakte nötig sind, läuft der Elektromotor synchron.
Die Bauweise von synchronen Elektromotoren birgt einige Vorteile. Dazu gehören:
- Besonders hoher Wirkungsgrad – bei Baumüller in der Spitze bei 95-96 Prozent
- Hohe Leistungsdichte
- Höhere Drehzahlen möglich
- Belastungsunabhängige Stabilität der Drehzahl
- Sehr kompakte Bauweise möglich
Beim Einsatz von Permanentmagneten entfällt außerdem der Verschleiß der Reibungskontakte, beispielsweise der Bürsten.
Ein Drehstrom-Synchronmotor kommt u.a. bei Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Energieeffizienz zum Einsatz. Typische Anwendungen dafür sind beispielsweise Druckmaschinen, Verpackungsmaschinen, Textilmaschinen, Handlingsysteme und Roboter.
Sonderfall Linearmotor
Linearmotoren funktionieren im Grunde nach den gleichen Prinzipien wie die Drehstrom-Elektromotoren. Allerdings wird der Stator nicht rund sondern linear gebaut. Das Magnetfeld ist daher auch kein Drehfeld. In der Praxis kann hier ein Läufer über eine gerade Schiene hin und her gezogen werden. Auch gebogene Schienen sind theoretisch vorstellbar.
Linearmotor
Die Bauweise ist sehr speziell und kommt nur für wenige Anwendungen in Betracht, da lineare Bewegungen theoretisch auch mit einem rundlaufenden Elektromotor durch eine indirekte Übersetzung verwirklichbar sind. Der Vorteil eines Linearmotors ist aber der Direktantrieb. Mit diesem können hohe Beschleunigungswerte erreicht werden.
Beeinflussung der Spezifikationen durch bestimmte Bauweisen anhand von Servomotoren
Die oben beschriebenen Bauweisen kommen bei Baumüller vor allem bei unseren Servomotoren zum Einsatz. Die Varianten unterscheiden sich im Wesentlichen in der Regelbarkeit. Das Grundprinzip der Wirkungsweise durch Elektromagnetismus bleibt dabei gleich. Die Varianten erlauben einen passgenauen Zuschnitt des Elektromotors auf die konkrete Anwendung in der Praxis und lassen sich abseits der Grundbauweise auch noch durch weitere Kriterien beeinflussen.
Die Motorwicklung
Durch die Wicklung des leitfähigen Drahtes im Stator lässt sich besonders das Drehmoment beeinflussen. Je dünner der Draht ist, umso stärker lässt sich die Wicklung verwinden. Das hat deutliche Effekte auf das elektromagnetische Drehfeld. Denn umso stärker die Wicklung verwunden ist, umso mehr wird auch das Magnetfeld verstärkt. Das führt beispielsweise bei unseren Torque-Motoren DST2 von Baumüller zu einer deutlichen Erhöhung des maximalen Drehmoments.
Wicklung beim Elektromotor
Mit Direktantrieben lassen sich gewaltige Drehmomente bis 60.000 Nm erreichen, die im Vergleich zu Motor-Getriebe-Kombinationen deutlich wartungsärmer arbeiten. Bei hohen gewünschten Drehzahlen sind aber andere Bauweisen nötig, da hier das Drehmoment abfällt. In gängigen High-Torque Anwendungen spielen hohe Drehzahlen aber eine untergeordnete Rolle. Beispiele sind etwa Wickler für Bleche, die bei zunehmendem Rollendurchmesser auf hohes Drehmoment bei verminderter Drehzahl angewiesen sind. Auch Shredder und Extruder sind gute Anwendungsbeispiele.
Die Kühlung
Je stärker das Magnetfeld, desto mehr Abwärme entsteht auch. Um Elektromotor und anliegende Bauteile nicht zu überhitzen, ist in vielen (aber nicht allen) Anwendungsbereichen eine passende Kühlung geboten. Diese kann über eine Oberflächen-, Luft-, Wasser- oder Ölkühlung erfolgen. Besondere Bedeutung erhält die Flüssigkeitskühlung bei sehr nah aneinander gebauten Servomotoren. Da diese sich gegenseitig aufheizen, ist eine Kühlung meist unverzichtbar. Hier kommt auch der Platzgewinn durch den eingesparten Lüfter zum Tragen, der bei einer Luftkühlung nötig wäre.
Der Servoregler
Die hohe Dynamik von Elektromotoren muss auch gesteuert werden, um das Potenzial nicht zu verschenken. Dafür benötigt es als Schnittstelle zwischen Elektromotor bzw. Servomotor und der Steuereinheit einen Servoregler, wie die b maXX-Familie von Baumüller.
Servoregler b maXX für Elektromotoren
Durch die Regelungstechnik lassen sich bestimmte Motorpositionen exakt ansteuern und außerdem auch Drehzahlen sehr genau halten.
Hinzu kommt eine hohe Beschleunigung. Bestimmte Drehzahlen können aus dem Ruhezustand in kürzester Zeit angesteuert werden und auch zwischen bestimmten Drehzahlen gewechselt werden. Die hohe Dynamik und Präzision schöpft das ganze Potenzial im modernen Elektromotor aus und erlaubt eine Vielzahl von hochspezialisierten Anwendungen. Gerade die hohe Präzision ist beispielsweise im Bereich der Robotik unverzichtbar. Baumüller Servoantriebe finden sich deshalb beispielsweise in automatisierten Fertigungsanlagen.
Anwendungsgebiete für den Elektromotor in Industrie, Landwirtschaft und Mobilität
Während für die elektrifizierte Individualmobilität andere Spezifikationen nötig sind, finden sich Elektromotoren von Baumüller im Wesentlichen in industriellen Anwendungen. Hierzu gehören etwa:
- Metallbearbeitung
- Textilverarbeitung
- Verpackungsmaschinen
- Recyclingtechnik
- Medizintechnik
- Kunststoffverarbeitung
- Papier- und Druckmaschinen
- Robotik
Baumaschinen mit Elektromotor
Darüber hinaus bietet Baumüller Antriebssysteme für die E-Mobilität im Bereich von Nutzfahrzeugen und Arbeitsmaschinen. Dazu gehören zum Beispiel viele Geräte aus Landwirtschaft und Bauwesen von Traktoren, Baggern und Radladern bis hin zu Walzen, Fräsen oder Raupen.
Der Elektromotor: Zusammenfassung
Der Elektromotor basiert in allen Bauweisen auf dem Prinzip des Elektromagnetismus. Vom simpel aufgebauten Gleichstrommotor bis hin zum Synchronmotor lassen sich Elektromotoren besonders vielseitig anpassen. Hinzu kommen weitere auf die individuelle Anwendung zugeschnittene Spezifikationen. Damit können Servomotoren auf Aspekte wie maximales Drehmoment, extreme Präzision und viele weitere Anforderungen angepasst werden. Baumüller bietet für verschiedenste Branchen und Anwendungen maßgeschneiderte Antriebslösungen vom Elektromotor über den Servoregler bis hin zu Steuereinheit und Software.
Zum Abschluss: Interessant zu wissen
Der Elektromotor hat eine viel längere Geschichte als man heute annehmen würde. Erste Experimente sind schon aus dem 18. Jahrhundert belegt. Anfang des 19. Jahrhunderts nahm die Entwicklung im Zuge der grundsätzlichen Erforschung der Elektrizität deutlich an Fahrt auf.
Abbildung erster Elektromotor von Jacobi (Julius Dub, Public domain, via Wikimedia Commons)
Die konkrete Verwendung des Elektromagnetismus in Antrieben wurde aber durch Verbrennungsmotoren im Laufe des frühen 20. Jahrhunderts noch zurückgedrängt.
Dabei entwarf bereits 1834 der Physiker Moritz Hermann von Jacobi den ersten praxistauglichen Elektromotor. Gefördert durch den russischen Kaiser Nikolaus I. betrieb er 1838 mit einem Gleichstrommotor erstmals ein Boot, das auf der Newa durch Sankt Petersburg fahren konnte.
Heute arbeitet Baumüller an Elektromotoren, die ebenfalls für die Schifffahrt entworfen werden. Mit High-Torque-Synchronmotoren liegen zwar Welten zwischen den Spezifikationen damals und heute. Allerdings ist das physikalische Wirkprinzip dennoch dasselbe geblieben, das heute aber beständig weiterentwickelt wird.
Damit lassen sich in der Schifffahrt sukzessive Dieselmotoren zum Antrieb der Schiffsschrauben ersetzen. Vor allem die Binnenschifffahrt und der Fährbetrieb zwischen fixen Ladestationen kommt dafür in Frage. Hier finden Sie mehr zum Thema elektrischer Schiffsantrieb von Baumüller.
Ausblick: Rolle von E-Motoren für die Automatisierung der Zukunft
Der Elektromotor bietet im Vergleich zu anderen Antriebsarten, wie etwa dem Verbrennungsmotor, zahlreiche Vorteile. Einige davon treten besonders im Rahmen der Energiewende und den Themen, Umwelt- und Klimaschutz in den Vordergrund. Das Spektrum der Vorteile reicht aber weit darüber hinaus. Besonders die zunehmende Automatisierung von landwirtschaftlichen und industriellen Prozessen ist auf den Elektromotor angewiesen, der in diesem Bereich alternativlos geworden ist.
Die hohe Wandelbarkeit und Anpassungsfähigkeit des Elektromotors macht ihn zu einer Antriebsart mit langer Geschichte und wahrscheinlich noch längerer Zukunft.
Matthias Beetz
Training Engineer Academy I Baumüller Nürnberg GmbH
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