Vom Walzwerk bis zum Wasserkocher, von der Elektromobilität bis zur Dentaltechnik: Elektromotoren sind heute als Antriebe in praktisch allen Arten von Maschinen zu finden. Doch Elektromotor ist nicht gleich Elektromotor. Es gibt Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren, den Asynchronmotor und die Synchronmaschine. Erfahren Sie hier, worin sich die einzelnen Antriebe unterscheiden und was die wesentlichen Merkmale und Vorteile der verschiedenen Arten von Elektromotoren sind.
Gleichstrommotoren vs. Wechselstrommotoren
In der Antriebstechnik wird bei Elektromotoren grundsätzlich zwischen Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren unterschieden. Der Gleichstrommotor wurde historisch vor dem Wechselstrommotor entwickelt und war der erste Elektromotor, der größere Verbreitung fand.
Gleichstrommotor: Aufbau und Funktionsweise
Der Gleichstrommotor hat eine vergleichsweise einfach zu beschreibende Funktionsweise: Durch den Stator (Permanentmagnet oder Erregerspule) wird ein magnetisches Feld aufgebaut. In diesem Feld befindet sich der Rotor, der beim Anschließen der Maschine an eine Gleichstromquelle ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt und sich zu drehen beginnt. Um die Drehbewegung aufrechtzuerhalten, muss das Rotorfeld von Gleichstrommotoren regelmäßig umgepolt werden. Herkömmlicherweise wird dazu ein Kommutator (Polwender) aus Schleifringen und Bürsten eingesetzt. Moderne Gleichstrommotoren verfügen dagegen über eine elektronische Kommutierung, die das Umpolen der Spulen mit Hilfe von Sensoren oder Mikroprozessoren übernimmt. Da bei einem elektronischen Kommutator keine Bürsten mehr nötig sind, nennt man diese Elektromotoren auch bürstenlose Gleichstrommotoren (engl. Brushless DC oder kurz BLDC Motor).
Unterarten von Gleichstrommotoren
Gleichstrom-Elektromotoren lassen sich, je nachdem ob es sich um Bürstenmotoren oder bürstenlose BLDC-Motoren handelt, weiter nach Aufbau und Anwendung unterteilen.
Bürstenmotoren
Wichtige Unterarten von Bürstenmotoren sind:
– der Reihenschlussmotor, bei dem die Spulen von Stator und Rotor nacheinander in Reihe geschaltet sind,
– der Nebenschlussmotor, bei dem die Spulen parallel geschaltet sind,
– der Doppelschlussmotor, der beide Bauformen kombiniert.
Beim Reihenschlussmotor variiert die Drehzahl mit der Last, daher wird dieser Elektromotor häufig für Kurzanwendungen eingesetzt, z.B. als Anlasser beim Auto. Der Nebenschlussmotor läuft unabhängig von der Belastung mit konstanter Drehzahl und eignet sich daher u.a. für Industrieanwendungen wie Drehmaschinen und Förderbänder. Doppelschlussmotoren finden hauptsächlich in schweren Antrieben von Pressen und Stanzen Verwendung, da sie ein hohes Anlaufmoment mit einer konstanten Drehzahl verbinden.
Eine weitere Unterart von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren ist schließlich der Permanentmagnet-Bürstenmotor, dessen Stator nicht elektrisch über eine Spule, sondern über Permanentmagnet erregt wird. Dieser Aufbau ist kompakter und energieeffizienter als der der anderen DC-Bürstenmotoren und wird daher oft in Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, etwa als Scheibenwischer- oder Stellmotor in der Kfz-Elektrik, verwendet.
Bürstenlose BLDC-Motoren
Anders als bei herkömmlichen Gleichstrommotoren wird beim bürstenlosen BLDC-Motor der Permanentmagnet am Rotor angebracht, während der Stator die Spulen enthält. Die Kommutierung erfolgt elektronisch. Auf diese Weise hat der Brushless-Motor gegenüber dem Bürstenmotor zahlreiche Vorteile: Sein Aufbau führt zu einer besseren Wärmeableitung und Betriebseffizienz. Durch den Wegfall der Bürsten entstehen weniger Reibungsverluste. Der Wirkungsgrad steigt. Wartungsintensität und Verschleiß nehmen ab. Darüber hinaus können Brushless-Motoren gegenüber DC-Bürstenmotoren eine extrem hohe Drehzahl von bis zu 100.000 U/min erreichen und weisen zudem eine höhere Leistungsdichte auf. Daher sind bürstenlose Gleichstrommotoren nicht zuletzt sehr viel kleiner und vielseitiger einsetzbar als ein vergleichbarer DC-Bürstenmotor.
Da BLDC-Motoren konstruktiv auch der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) ähneln, betrachten Techniker sie häufig als Drehstrommaschine und rechnen sie den Wechselstrommotoren zu. Betrachten wir diese Arten von Elektromotoren im Folgenden also genauer.
Wechselstrommotoren bzw. Drehstrommotoren
Neben den Gleichstrommotoren haben sich in der Industrie zunehmend Wechselstrommotoren und hier vor allem die so genannten Drehstrommotoren als Antriebe etabliert. Ein Hauptgrund ist der höhere Wirkungsgrad dieser Arten von Elektromotoren. Die Funktionsweise von Wechselstrom- und Drehstrommotoren ist dagegen wesentlich komplexer als bei Gleichstrommotoren.
Grundsätzlicher Aufbau
Wechselstrommotoren sind Elektromotoren, die mit ein- oder mehrphasiger Wechselspannung betrieben werden. Zu den einphasigen Wechselstrommotoren gehören z.B. der Universalmotor (ein nach dem Reihenschlussprinzip gebauter Motor, der vor allem in Haushaltsgeräten zum Einsatz kommt) und der Kondensatormotor, bei dem das für den Motorbetrieb notwendige Drehfeld durch den namensgebenden Kondensator erzeugt wird.
Weit häufiger als die einphasigen Motoren sind allerdings Motoren, die mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden, die so genannten Drehstrommotoren. Der Aufbau der Drehstrommaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass ihr Stator aus drei Spulen besteht, die von jeweils einer Phase gespeist werden und in Winkeln von 120 Grad zueinander angeordnet sind. Fließt Strom in die Spulen, entsteht durch die Phasenverschiebung ein versetztes Magnetfeld, das den Rotor der Maschine zum Laufen bringt.
Unterarten von Wechselstrommotoren: Asynchronmaschine vs. Synchronmaschine
Neben einphasigen und mehrphasigen Motoren unterscheidet man Wechselstrommotoren auch in Asynchronmotoren und Synchronmotoren. Der wesentliche Unterschied der beiden Antriebe besteht in ihrer Funktionsweise: Ein Asynchronmotor ist ein Elektromotor, dessen Rotor dem vom Stator induzierten Magnetfeld nachläuft. Bei Elektromotoren, die als Synchronmaschine aufgebaut sind, läuft der Rotor dagegen mit der gleichen Drehzahl wie das Magnetfeld.
Asynchronmaschine: Vorteile
Da die Asynchronmaschine ihr Drehmoment durch Induktion selbst erzeugt, benötigt der Rotor keine eigene Spannungsversorgung, was einen einfachen Aufbau des Motors möglich macht. Asynchronmaschinen gelten daher als besonders robust, belastbar und wartungsarm. Folgerichtig zählt die Drehstrom-Asynchronmaschine zu den am weitesten verbreiteten Elektromotoren überhaupt und ist der Standardantrieb in industriellen Anwendungen, bei denen keine variable Drehzahl erforderlich ist, wie z.B. Lüfter, Kompressoren, Pumpen, Hebezeuge und Fördersysteme.
Aufbau und Funktion der Synchronmaschine
Der Synchronmotor ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie die Asynchronmaschine. Der entscheidende Unterschied liegt darin, dass bei der Synchronmaschine das Rotorfeld nicht induziert wird, sondern der Rotor sein Feld (meist durch Permanentmagneterregung) selbst erzeugt. Dadurch wird er automatisch vom Statorfeld mitgenommen und dreht mit der gleichen Drehzahl wie das Drehfeld, also synchron.
Um die Drehzahl regeln zu können, werden Synchronmotoren heute häufig mit Frequenzumrichter betrieben. Auf diese Weise erreichen gerade permanentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM) einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Asynchronmotoren. In der Folge hat sich die Synchronmaschine in vielen Industriebereichen als Antrieb durchgesetzt. Die wichtigsten Einsatzgebiete von Synchronmotoren sind kleinere Maschinen, Servomotoren, Feinwerktechnik, Robotik und Automation sowie Förderanlagen, Schiffsantriebe und weitere Anwendungen im Megawatt-Bereich.
Sonderform Schrittmotor
Eine Sonderform der Synchronmaschine ist der Schrittmotor, bei dem der Rotor durch ein entsprechend gesteuertes Statorfeld schrittweise gedreht werden kann. Der Vorteil liegt darin, dass Schrittmotoren dadurch besonders einfach und exakt betrieben werden können. Sie finden sich daher z.B. in computergesteuerten Werkzeugmaschinen oder in der Kfz-Elektrik.
Eine weitere Sonderform von Elektromotoren stellt der so genannte Reluktanzmotor dar, dessen Rotor ohne Wicklung oder Permanentmagnete nur durch Steuerung von außen rotiert. Daher gilt der Reluktanzmotor als kompakte und kostengünstige Antriebsalternative, die derzeit intensiv erforscht wird.
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