Wie funktioniert ein Elektromotor?: Mit Strom Fahrzeuge antreiben

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Eine grundlegende Voraussetzung für die Funktionsweise eines Elektromotors ist die magnetische Wirkung von Strom. Den Grundstein für den Antrieb von Fahrzeugen mit Elektrizität legte 1821 der englische Physiker Michael Faraday, indem er mithilfe von Elektromagnetismus eine kontinuierliche Rotation erzeugte. Der deutsche Physiker Hermann Jacobi stattete dann 1834 ein Boot mit einem Elektromotor aus und machte ihn damit praxistauglich.

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Strom ist nicht gleich Strom

Es gibt zwei verschiedene Arten von elektrischem Strom, mit denen Elektromotoren betrieben werden können. Als Gleichstrom bezeichnet man Strom, der seine Richtung und Stärke nicht ändert. Er kommt in vielen Geräten zum Einsatz, die z. B. mit Batterien betrieben werden, also z. B. CD-Player, Modellautos oder Fensterheber in „richtigen“ Autos.

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GLEICH- UND WECHSELSTROM

Wechselstrom hingegen ändert seine Richtung periodisch. Eine besondere Art des Wechselstroms ist der Drehstrom. Er besteht aus drei einzelnen Wechselströmen, die in drei verschiedenen Phasen gleichmäßig versetzt voneinander wirken. Deshalb wird er oft auch als Dreiphasenwechselstrom bezeichnet. Ordnet man drei Spulen gleichmäßig verteilt im Kreis an und verbindet sie mit jeweils einer Phase dieses Dreiphasenwechselstroms, so ensteht ein drehendes Magnetfeld. Daher nennt man dieses Dreiphasenwechselstromsystem auch Drehstromsystem.

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MAGNETISCHE WIRKUNG DES ELEKTRISCHEN STROMS

Die Lorentzkraft

Grundlage dafür, dass ein Elektromotor eine Drehbewegung erzeugt, ist die so genannte Lorentzkraft. Sie bezeichnet die Kräfte, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben.

Nehmen wir zum Beispiel eine Leiterschleife, durch die Strom fließt und die dadurch von einem Magnetfeld umgeben ist. Die Leiterschleife befindet sich innerhalb eines Magneten, der ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Diese beiden Magnetfelder wirken so aufeinander, dass dabei eine Kraft entsteht, die senkrecht zum Magnetfeld (vom Nord –zum Südpol) und zur Bewegungsrichtung des Stroms (vom Plus- zum Minuspol) verläuft – die Lorentzkraft.

Mit deiner rechten Hand kannst du die Richtung der Lorentzkraft ganz einfach ermitteln. Bei dieser so genannten Rechte-Hand-Regel zeigt dir der Daumen immer die Richtung an, in die der Strom fließt, der Zeigefinger die Richtung, in die das Magnetfeld verläuft und der Mittelfinger die Richtung, in die die Lorentzkraft wirkt. Teste es doch gleich mal anhand der nebenstehenden Grafik.

Die beiden Seiten der Leiterschleife stehen übereinander. Da auf der einen Seite der Leiterschleife der Strom in eine andere Richtung fließt als auf der anderen Seite der Leiterschleife, wirkt auch die Lorentzkraft jeweils in eine andere Richtung. Das ist der Grund, warum sich die Leiterschleife dreht. Erreicht sie jedoch eine waagerechte Position, wirken die Lorentzkräfte genau entgegengesetzt, sodass sich die Leiterschleife nicht weiterdrehen kann.

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EINFACHER ELEKTROMOTOR

Der Gleichstrom-Motor

Das gleiche Prinzip wie bei der Leiterschleife läuft in einem Gleichstrom-Motor ab. Auch hier gibt es einen feststehenden Magneten, den Stator, und einen sich drehenden Elektromagneten, den Rotor (auch Anker genannt), der sich innerhalb des Stators befindet. Über die Batterie wird dem Motor Gleichstrom zugeführt, wodurch die Lorentzkräfte wirken. Damit der Rotor weiterdreht und nicht wie die Leiterschlaufe in der waagerechten Position stoppt, gibt es im Elektromotor einen so genannten Kommutator. Er ist dafür zuständig, dass der Stromfluss durch den Elektromagneten im richtigen Moment umgekehrt wird und die Lorentzkräfte sich so neu ausrichten, dass sich der Rotor weiterdreht und nicht abgebremst wird. Mit dem Anker verbunden ist eine Antriebswelle, die die erzeugte mechanische Energie an die Autoräder weiterleitet.

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STATOR MIT DREI SPULEN

Der Drehfeld-Elektromotor

In einem Drehstrom- oder Drehfeld-Motor ist solch ein Kommutator nicht notwendig. Im feststehenden Teil des Motors, dem Stator, befinden sich drei Spulen, die in gleichmäßigen Abständen zueinander in einem Kreis angeordnet sind. Sie werden jeweils über einen elektrischen Leiter mit Drehstrom versorgt, das heißt mit Wechselstrom, der in drei verschiedenen Phasen seine elektrische Spannung entwickelt. Dadurch bildet sich um jede Spule zu unterschiedlichen Zeiten ein Magnetfeld. Alle drei Magnetfelder zusammen ergeben ein größeres summiertes Magnetfeld, das seine Richtung parallel zu den Phasen der drei wechselnden Leiterspannungen fortlaufend ändert und sich dadurch „dreht“. Daher wird es auch Drehfeld genannt. Verbindet man nun dieses rotierende Magnetfeld mit der Achse eines magnetischen Gegenstandes, rotiert dieser mit (Rotor).

Ein solcher Drehfeld-Elektromotor findet auch in den Elektroautos von Mercedes-Benz Verwendung.