Der Gleichstrommotor. Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung: Wieso habe ich dieses Thema für meine Hausarbeitausgewählt?

2 Wie funktioniert ein Elektroauto?

3 Aufbau eines Elektromotors

4 Wie funktioniert ein Elektromotor?

5 Vor- und Nachteile eines Elektroautos

6 Fazit: Lohnt es sich ein Elektroauto anzuschaffen?

7 Literaturverzeichnis

8 Abbildungsverzeichnis

1 Wieso habe ich dieses Thema für meine Hausarbeit ausgewählt?

Als ich mich selbst gefragt hatte, welches Thema ich nehmen sollte, war mir sofort klar, dass es etwas mit Physik zu tun haben sollte und in die Richtung Technik und Mechanik gehen sollte. Ich interessiere mich sehr stark für Autos, vor allem schnelle und sportliche Autos. Da das Thema Elektroauto wegen der Globalen Erderwärmung ein sehr oft und heiß diskutiertes Thema ist und ich selbst nicht wirklich viel über dieses Thema wusste, habe ich mir dieses ausgesucht und wollte klären, wie ein Elektroauto und dessen Motor funktionieren, welche Vor- und Nachteile es gibt und natürlich ob und wann es sich lohnt, ein E-Auto anzuschaffen.

2 Wie funktioniert ein Elektroauto?

Als Elektroauto, oder auch E-Auto genannt, werden Fahrzeuge bezeichnet, die anstatt durch einen herkömmlichen Verbrennungsmotor, durch einen Elektromotor angetrieben werden, also einen Motor der seine Energie aus einer Batterie bekommt. Die dafür nötige elektrische Energie wird in einer Batterie gespeichert. Diese muss vorher mithilfe eines Ladekabels aufgeladen werden. Zum Aufladen braucht man eine Ladestation. Diese kann bis zu 1000 Euro kosten, jedoch gibt es auch in manchen Gemeinden und Städten sogenannte öffentliche Ladestationen an denen jeder sein Elektroauto kostenlos aufladen kann.¹ Der Elektromotor im Auto wandelt die elektrische Energie in eine mechanische um, diese ist meist eine Rotationsbewegung und wird mit Verbindungen bis zu den Rädern des Fahrzeuges geleitet. Dadurch gerät das Fahrzeug in Bewegung und kann an Geschwindigkeit gewinnen. Durch den sehr großen stufenlos nutzbaren Drehzahlbereich gibt es in vielen Elektrofahrzeugen kein schaltbares Getriebe oder eine Kupplung, sondern nur ein Automatik Getriebe. Denn anders als bei Verbrennungsmotoren deren gesamte Leistung meist erst in den etwas höheren Drehzahlbereichen vorhanden ist, ist die volle Leistung des Elektromotors sofort verfügbar und sie Verfügen, wie bereits schon gesagt über einen sehr großen nutzbaren Drehzahlbereich. Beim Fahren mit dem Elektroauto und Abrufen der Elektrischen Energie entsteht Wärme. Diese muss gekühlt werden, da sich sonst durch die Hitze die Wicklung, also die Spule, im Motor inneren ablöten könnte. Die Kühlung übernimmt wie in einem Herkömmlichen Auto auch eine Wasser- oder Luftkühlung, bei Elektromotoren ist es in den meisten Fällen jedoch eine Luftkühlung.²

3 Aufbau eines Elektromotors

Der Elektromotor ist ein Motor, der elektrische Energie in mechanische umwandelt. Diese Art von Motor wird in vielen Gebieten der Industrie aber auch im Haushalt eingesetzt. Zum Beispiel sind in einem CD-Player, einem Rasenmäher, in einer Lokomotive und einer Zahnbürste Elektromotoren von verschiedenen Größen verbaut. Dabei ist es egal, wie groß die Motoren sind. Sie funktionieren alle nach dem selben Grundprinzip: elektrische Energie wird in mechanische umgewandelt.³ Ein Leben ohne Elektromotoren ist heute also kaum mehr vorstellbar, wohin man nur sieht, überall sind Elektromotoren. Auch wenn sie nur klein sind, sie helfen uns ungemein. Ein Elektromotor kann auf sehr viele verschiedene Art und Weisen aufgebaut und betrieben werden. Hier werde ich den Aufbau anhand eines einfachen Beispiel eines Gleichstrommotors (Kommutatormotor), der auch in den meisten Elektroautos benutzt wird, erklären.

Ein Elektromotor besteht aus folgenden Teilen: einem Rotor/Anker, einem Stator, einem Kommutator, einer Bürste, einer Welle und schließlich die Stromquelle. Der Rotor bzw. Anker ist auf dem Bild mittig zwischen dem Dauermagneten (auch Stator gennant) zu sehen. In diesem Fall ist der Rotor ein Doppel-T-Anker. Um den Rotor ist auf beiden Seiten eine Spule gewickelt. Diese erzeugt, sobald der Strom fließt, ein elektromagnetisches Feld. Um den Rotor ist der Stator mit einem Süd- und Nordpol. Zwischen den beiden Spulen, Rotoren und um die Welle, also mittig befindet sich der Kommutator (lat: „commutare“ = vertauschen).⁴

4 Wie funktioniert ein Elektromotor?

Da für einen Elektromotor eine Spule benötigt wird, durch die Strom fließt, muss man wissen, dass elektrische Ströme von einem Magnetfeld umgeben sind.⁵ Zuerst werde ich die Funktion des Rotors erklären, der auch Anker genannt wird, ist der bewegliche Teil des Motors, in diesem Fall ein Doppel-T-Anker. Dieser bewegt sich zwischen den beiden Polen des Stators. Der Stator ist ein Dauermagnet, der ein konstantes Magnetfeld mit einer Süd- und Nordpolung erzeugt. Der Rotor wird durch eine Welle gehalten, die gelagert und drehbar ist. Um den Rotor herum ist eine Spule, diese wird von einem elektrischen Storm durchflossen. Die Stromversorgung der Spulen erfolgt über die Bürsten. Diese sind am Rotor angebracht und bestehen aus Kohle bzw. Metall. Im folgenden Bild sind die Bürsten Schwarz und in der Mitte, zwischen den beiden Spulen und Rotoren, befindet sich der Kommutator der auch Stromwender genannt wird und zur Umpolung dient. Grün ist der südlich gepolte Teil des Rotors und rot ist der nördlich gepolte Teil des Rotors, auf beiden Seiten um den Rotor befindet sich die Wicklung.

Schließt man nun die Bürsten an die Pole einer Gleichstromquelle an, fließt über die Bürsten und Halbringe Strom durch die Spule und ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld in seiner Umgebung.⁶

Gleichnamige Pole stoßen sich ab und ungleichnamige ziehen sich an. Stehen sich also beispielsweise der Nordpol des Dauermagneten und der Nordpol des Rotors gegenüber, dann stoßen diese sich voneinander ab. Dadurch kommt der gelagerte Rotor in Bewegung und es entsteht mechanische Energie. In diesem Fall dreht sich der Rotor, also entsteht eine Rotationsbewegung und diese Bewegung kann über das Getriebe an die Welle weitergegeben werden, bis hin zum Rad, das den Boden berührt und das Fahrzeug in Bewegung setzt. Der Kommutator hat nun folgende Funktion: sobald der Rotor am gleichnamigen Pol abgestoßen wurde, würde er ja beim Erreichen des Südpols, also dem Pol, der nicht gleichnamig ist, stehen bleiben, da sich unterschiedliche Pole anziehen. „Diesen Zustand nennt man Totpunkt“.⁷ Der Kommutator verhindert dies durch einen kleinen Trick. Denn er ändert die Richtung des Stroms jede halbe Umdrehung ändert sobald die Bürsten die Isolierstellen zwischen den beiden Halbringen des Kommutators berührt. Auf dem Bild sieht man, wie die beiden Bürsten (hier schwarz) die Isolierstellen berühren. Jetzt ist der Stromkreis unterbrochen und das Magnetfeld der Spule wird abgebaut.

Eigentlich gibt es jetzt keine Drehbewegung mehr. Die Spule bleibt jedoch nicht abrupt stehen, sondern bewegt sich durch ihre Trägkeit noch etwas weiter über die Isolationsschicht hinaus und es entsteht wieder ein Stromkreis. Jedoch sind die Pole des Rotors diesmal mit dem Gegenteil gepolt, Dank des Kommutators, also Süd ist jetzt Nord und Nord ist Süd. Jetzt stehen die gleichnamigen Pole wieder gegenüber und der Prozess beginnt von vorne, sobald sich die ungleichnamigen Pole wieder gegenüberstehen. Dadurch wird die Richtung, in die der Strom durch die Spule fließt, vertauscht und damit auch die Polung. Das ganze sieht dann so aus:

Auf dem Bild ist der angesprochene Moment nachdem die Pole des Magnetfeldes der Spulen durch den Kommutator vertauscht wurden zusehen, man kann einen Elektromotor auch mit einem 3-T-Anker betreiben. Hierbei ist die Drehbewegung deutlich gleichmäßiger, da jederzeit ein Halbring Kontakt zu einem Pol hat.

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¹ Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Stromtankstelle

² Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto

³ Vgl. https://www.planet- schule.de/sf/multimedia/animationen/elektromotor_generator/mme/mmewin.html

⁴ Vgl. http://motoren-technik.net/aufbau-elektromotor/

⁵ Vgl. http://www.physik.wissenstexte.de/elektromotor.html

⁶ Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnet#Wirkprinzip

⁷ Wiebke Salzmann: Elektromotor (2008) in http://www.physik.wissenstexte.de/elektromotor.htm