Grundlagen: Elektromotor

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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 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.

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.

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.