Arten von Elektromotoren und ihre Eigenschaften

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Sie basieren auf dem Prinzip elektromagnetischer Induktion. Sie können bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als Antriebslösung in industriellen Maschinen.

Elektromotor-Arten

Es gibt verschiedene Arten von Elektromotoren, die jeweils unterschiedliche Funktionsweisen und Eigenschaften aufweisen. Die heute eingesetzten Arten von Elektromotoren werden grundsätzlich in Gleichstrommotor und Wechselstrommotor unterteilt. Bei Wechselstrommotoren wird noch einmal unter Synchron- und Asynchronmotor unterschieden.

Der Aufbau von Elektromotoren ist der Regel wie folgt:

• Stator: Der Stator ist ein Elektro- oder Dauermagnet, welcher mit dem Motorgehäuse fest verbunden, also starr, ist.
• Rotor: Der Rotor ist ein Elektromagnet, der zwischen den Polen des Stators auf der Motorachse sitzt. Je nach Bauform unterscheidet man Rotationsmotoren (drehende Motorachse) und Linearmotoren (Schiebeachse).
• Kommutator (Polwender): Der Kommutator besteht aus zwei oder mehreren voneinander isolierten Segmenten eines Schleifrings, über welche dem Rotor Strom zugeführt wird. Von außen drücken jeweils zwei Schleifkontakte dagegen, die mit einer Stromquelle verbunden sind.

• 1 - Rotor
• 2 - Bürste
• 3 - Spule
• 4 - Luftspalt
• 5 - Dauermagnet

Zur Steuerung von Elektromotoren kommen verschiedene Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren zum Einsatz. Gängige Verfahren sind z.B. die Pulsweitenmodulation (PWM), die direkte Spannungsregelung oder die feldorientierte Regelung.

Gleichstrommotoren (DC-Motoren)

Gleichstrommotoren arbeiten mit einer konstanten Stromrichtung und erzeugen ein Drehmoment. Nützlich sind sie in einem Anwendungsbereich, wo präzise Geschwindigkeits- und Drehmomentkontrolle erforderlich sind, wie beispielsweise in CNC-Maschinen. Folgende Motoren sind Beispiele für Gleichstrommotoren:

• Gleichstrommotor mit Bürsten: Der Kommutator arbeitet mit Kontakten, die per Federdruck anliegen. Diese werden als Bürsten bezeichnet und bestehen z.B. aus Kohle. Dank der Bürsten lässt sich die Leistung durch die angelegte Betriebsspannung gut regulieren.
• Gleichstrommotor ohne Bürsten: Statt des mechanischen Kommutators misst beim bürstenlosen Gleichstrommotor ein elektrischer Sensor den Rotorwinkel.
• Getriebemotor: Mit Hilfe eines Getriebes wird die ursprüngliche Drehzahl des Motors auf einen definierten Wert herabgesetzt oder in seltenen Fällen auch erhöht.
• Schrittmotor: Schrittmotoren gibt es als Rotationsmotoren und als Linearmotoren. Durch eine hohe Polpaarzahl (Zähne) können die Motoren auf kleine Positionierschritte eingeregelt werden. Die Regelung erfolgt meist über rotatorische oder lineare Positionsgeber. Die Motoren sind für anspruchsvolle Positionierarbeiten geeignet, wie z.B. im 3D-Druck. Zu beachten ist, dass Überlastung/Unterdimensionierung zu Schrittfehlern führen kann.

Vorteile und Nachteile von Gleichstrommotoren

Zu den Vorteilen von Gleichstrommotoren zählen:

• Hohe Anlaufdrehmomente, was sie für Anwendungen mit schweren Lasten geeignet macht.
• Sie können präzise gesteuert werden, was vor allem über die Drehzahlen geschieht. Dadurch sind sie für Anwendungen geeignet, bei denen eine genaue Positionierung und ein nahtloser Betrieb erforderlich sind.
• Sehr zuverlässig, einfache Drehmomentregelung auch bei geringen Drehzahlen möglich.
• Umkehrbarkeit: Die Drehrichtung kann einfach geändert werden, indem die Stromrichtung umgekehrt wird.
• Es ist ein großer Drehzahlbereich verfügbar.
• bürstenlose Gleichstrommotoren sind langlebig, wartungsarm und leiser

Nachteile sind:

• Durch die Verwendung von Bürsten ergeben sich häufige Inspektionsintervalle, in der Regel aller drei Monate, was zu höheren Wartungskosten führt.
• Anfälligkeit für raue Umgebungsbedingungen: Durch relativ offenes Design können Staub und Schmutz leichter eindringen.
• Die Anschaffung ist oft teuer, gerade bei bürstenlosen Gleichstrommotoren, da diese eine komplexere Steuerung benötigen als eine einfache Bürstensteuerung.

Wechselstrommotoren (AC-Motoren)

In Wechselstrommotoren ändert sich durch stetige Änderung der Stromrichtung regelmäßig die Spannung. Die Drehzahl des Motors wird von der Netzfrequenz und Anzahl der Pole vorgegeben. Es gibt einphasige und dreiphasige Wechselstrommotoren. Einphasige Wechselstrommotoren werden meist in kleineren Maschinen und Haushaltsgeräten eingesetzt, während dreiphasige Wechselstrommotoren wegen ihrer höheren Nennleistung und Effizienz vor allem in industriellen Anwendungen verwendet werden. Folgende Motoren sind Beispiele für Wechselstrommotoren:

• Asynchronmotor/Induktionsmotor: Die Drehzahl des Motors ist nicht genau mit der Frequenz des angelegten Wechselstroms synchronisiert. Diese Differenz ermöglicht die Drehbewegung des Rotors. Sie arbeiten häufig mit Dreiphasen-Wechselstrom, welcher in der Industrie stark verbreitet ist, weshalb der Asynchronmotor einer der am häufigsten verwendeten Motoren ist. Asynchronmotoren können in einphasig und dreiphasig eingeteilt werden.
• Synchronmotor: Die Rotorgeschwindigkeit ist synchron zum rotierenden Magnetfeld des Stators. Dadurch ergibt sich eine hohe Genauigkeit und konstante Drehzahl, was z.B. bei Werkzeugmaschinen von Bedeutung ist. Synchronmotoren können in einphasig und dreiphasig eingeteilt werden.

Servomotor

Ein Servomotor kann sowohl Gleichstrommotor, Asynchron- oder Synchronmotor sein. Diese Motoren besitzen einen Servoantrieb und meist eine eigene Steuerelektronik. Ein Servoantrieb ist ein elektronisches Steuersystem, das einen Motor präzise und kontrolliert positioniert und Geschwindigkeitsänderungen ermöglicht, um in verschiedenen Anwendungen wie Robotik, CNC-Maschinen und Automatisierungssystemen genaue Bewegungen auszuführen.

Vorteile und Nachteile von Wechselstrommotoren

Zu den Vorteilen von Wechselstrommotoren zählen:

• Sofern keine Bürsten verwendet werden, sind sie langlebiger und wartungsärmer
• Durch die geschlossene Bauform kommt es zu weniger Schmutzeintrag
• Höherer Wirkungsgrad
• Hohe Drehzahlen sind möglich
• Sie sind in der Regel wirtschaftlicher

Nachteile sind zum Beispiel, dass sie aufgrund stärkerer Vibrationen eine höhere Lärmentwicklung aufweisen. Bauformbedingt ist die Drehzahl nur durch Änderung der Frequenz gesteuert und/oder ist durch Schaltung der Polpaare stufenweise steuerbar. Zur präzisen Steuerung werden ggf. zusätzliche Komponenten erforderlich. Des Weiteren sind Wechselstrommotoren nicht für mobile Anwendungen geeignet, da Akkus Gleichspannung liefern (bzw. ist das nur durch Zusatzkomponenten, wie z.B. Wechselrichter möglich).

Abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten vor Ort und dem gewünschten Einsatzzweck können unterschiedlichste Bauformen von Elektromotoren Anwendung finden, weshalb wir bei MISUMI ein breites Portfolio an Motoren zur Verfügung stellen.

Funktionsweise eines Elektromotors am Beispiel des Gleichstrommotors

Fließt bei einem Gleichstrommotor elektrischer Strom durch die Rotorspule, beginnt der Rotor sich zu drehen. Mit jeder halben Drehung sorgt der Kommutator für eine Umpolung, um die kontinuierliche Bewegung des Motors zu gewährleisten. Andernfalls würde der Motor sich nur so weit drehen, bis der Nordpol des Rotors dem Südpol des Stators entgegensteht und in dieser Position zum Stillstand kommen. Ein Motor mit einem zweipoligen Rotor läuft nicht in jeder Position von allein an, weshalb bei Elektromotoren oft Rotoren mit drei oder mehr Polen verwendet werden. Bei Linearmotoren ist das Prinzip etwas anders: Statt eines Rotors kommt hier ein mit mehreren Spulen ausgestatteter linear geführter Läufer (Schlitten) zum Einsatz, der sich entlang einer geraden Linie bewegt. In regelmäßigen Abständen sind Dauermagnete angebracht. Durch gezieltes Ansteuern der Spulen wird nach dem gleichen Wirkungsprinzip wie beim Rotationsmotor durch Magnetfelder der Läufer in Bewegung versetzt. Die gesteuerten Spulen können sowohl am Läufer als auch in getauschter Ausführung am linearen Statorverlauf positioniert sein.

Faktoren für die Eigenschaften von Elektromotoren

Die Eigenschaften von Motoren sind entscheidend für ihre Leistungsfähigkeit und ihre Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen technischen und industriellen Bereichen.

Drehmoment und Drehzahl

Das Drehmoment eines Motors gibt an, wie viel Kraft er auf eine Welle ausüben kann. Die Drehzahl bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der sich die Welle bzw. der Läufer eines Linearmotors bewegt. Motoren werden je nach Anwendung auf verschiedene Drehmomente und Drehzahlen/Geschwindigkeiten ausgelegt. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien sind wichtig für die Motordimensionierung. Sie stellen das Verhältnis von Drehzahl zum Drehmoment dar und können bei verschiedenen (Elektro-) Motortypen und Arbeitspunkten z.T. erheblich voneinander abweichen.

Leistungsdichte

Die Leistungsdichte von Elektromotoren bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der erzeugten Leistung des Motors und seiner Größe oder Masse. Moderne Elektromotoren können eine hohe Leistungsdichte aufweisen und können somit viel Leistung in einem kompakten Design liefern. Die Leistungsdichte wird normalerweise in Watt pro Kilogramm (W/kg) oder Watt pro Kubikzentimeter (W/cm³) gemessen, je nachdem, ob das Gewicht oder das Volumen des Motors betrachtet wird.

Regelbarkeit

Die Regelbarkeit von Elektromotoren bezieht sich auf die Fähigkeit, die Geschwindigkeit, das Drehmoment und andere Betriebsparameter des Motors in einer bestimmten Weise zu steuern oder zu regulieren. Dies ist besonders nützlich in Anwendungen, die präzise Kontrolle erfordern.

• Drehzahl: Durch Regelung der Drehzahl kann der Motor an verschiedene Geschwindigkeitsanforderungen angepasst werden.
• Drehmoment: Die Regelung des Drehmoments ist zum Beispiel hilfreich bei variablen Belastungen. Elektromotoren können so gesteuert werden, dass sie das benötigte Drehmoment bereitstellen, um Lasten zu bewegen oder zu überwinden.
• Richtung: Durch Ändern der Stromrichtung oder durch Verwendung von speziellen Schaltungen kann ein Motor für richtungsabhängige Anwendungen spezialisiert werden. Dazu zählen zum Beispiel Antriebsmotoren in Förderbändern oder Aufzügen.
• Positionierung und Präzision: Die präzise Positionierung und Regelung sind z.B. bei CNC-Maschinen entscheidend. Hier kommen oft Schrittmotoren oder Servomotoren zum Einsatz.

Um ihre Elektromotoren sicher und zuverlässig einzubinden, bieten wir in unserem Shop eine große Anzahl an Übertragungsteilen, unter anderem Zahnriemen, Zahnrädern, Riemen und mehr.

Lebensdauer und Wartung

Die Lebensdauer eines Elektromotors hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einfluss können z.B. die Motorart, die Betriebsbedingungen, die Wartung und die Herstellungsqualität haben. Es folgen einige der Schlüsselfaktoren, welche die Lebensdauer eines Elektromotors beeinflussen:

• Motortyp: Einige Motortypen sind robuster und langlebiger als andere. Zum Beispiel haben bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) aufgrund ihres bürstenlosen Designs in der Regel eine längere Lebensdauer als Gleichstrommotoren mit Bürsten.
• Betriebsbedingungen: Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Stoßbelastungen und Vibrationen können die Lebensdauer erheblich beeinflussen. Auch Motorschutzvorrichtungen wie Überhitzungsschutz und Überspannungsschutz dienen diesem Zweck.
• Betriebszyklus: Länge und Häufigkeit des Betriebs beeinflussen die Lebensdauer. Motoren, die kontinuierlich im Dauerbetrieb laufen, haben oft eine kürzere Lebensdauer.
• Wartung: Generell sind Elektromotoren wartungsarm - eine Ausnahme bilden die Elektromotoren mit Bürsten/Schleifkontakten. Eine regelmäßige Überprüfung und Wartung z.B. von Lagern und Verschleißteilen kann den Lebenszyklus eines Motors aber erheblich verlängern.

Kühlung von Elektromotoren

Die Kühlung von Elektromotoren ist entscheidend, um sicherzustellen, dass sie effizient arbeiten und innerhalb sicherer Betriebstemperaturen bleiben. Überhitzung kann die Lebensdauer eines Elektromotors erheblich verkürzen und zu Funktionsstörungen führen. Hier sind einige gängige Methoden zur Kühlung von Elektromotoren:

• Luftkühlung
• Kühlrippen und Kühlkörper
• Kühlmittel
• Ölkühlung
• Flüssigkeitskühlung
• Temperatursensoren und Steuerung