Elektromotor

Elektromotor

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Dafür wird das Magnetfeld einer Spule genutzt. In einer einfachen Form eines Elektromotors befindet sich eine Spule (Rotor) frei drehbar im Magnetfeld eines Permanetnmagneten (Stator). Wenn die Spule dann in Drehung versetzt wird und alle halbe Umdrehung umgepolt wird, dann beginnt sie sich zu drehen.

Eine gute Grafik dazu gib es hier

Einen eigens im Unterricht nachgebauten Elektromotor findet ihr hier

Geschichte

Schon Wissenschaftler wie zum Beispiel Faraday bewiesen, dass man mit Hilfe von Elektrizität eine dauerhafte Bewegung erzeugen konnte. Allerdings waren ihre frühen Modelle eher Spielzeuge und nicht wirklich nutzbar. Der erste nutzbare Motor stammte vom Potsdamer Ingenieur Hermann Jacobi im Jahre 1834.

Hermann Jacobis Elektromotor

Der Motor basierte im wesentlichen auf einer runden, frei dreharen Holzscheibe (Rotor) auf dem vier Hufeisenförmige Elektromagneten befestigt waren. Gegenüber von diesen befanden sich vier weitere Elektromagneten auf einer festen Holzscheibe (Stator). Die Elektromagneten des Stators und des Rotors waren in Reihe geschaltet. Betrieben wurde der Motor mit einer sehr teuren Zink-Platin-Batterie. An der Achse befand sich ein Stromwechsler zum umpolen der Magnete. Er funktionierte nach einem ähnlichen Prinzip wie bei modernen Modellen.

Aufbau von Jacobis Elektromotor

Da die Weiterentwicklung seines Motors sehr teuer war, benötigte Jacobi einen Geldgeber. Diesen fand er in dem russischen Zaren Nikolaus I. 1838 legte ein Schiff mit 12 Personen an Bord mithilfe eines Jacobi-Motors in zwei Stunden eine Strecke von sieben Kilometern zurück.

Elektromotoren revolutionieren die Antriebstechnik

Schon zum Ende des 19.Jahrhunderts waren Elektromotoren leistungsstarke Maschinen, die nun nach und nach anstatt der Dampfmaschinen in Fabriken eingesetzt wurden. Anfangs versorgten nur eine oder zwei Elektromotoren alle Werkzeugmaschinen der Fabrik an. Zur Beförderung der Energie wurden dabei zunächst Riemen und Wellen, wie bei der Dampfmaschine, verwendet. Nachdem die einzelnen Maschinen dann mit Elektromotoren ausgestattet wurden, wurde Energie in Form von Elektrizität übertragen. Allerdings dienen, damals wie heute, Dampfmaschinen beziehungsweise Dampfturbinen zum Antrieb der Elektromotoren.

Auch Schienenverkehr löste der Elektromotor die Dampfmaschine ab und stzte völlig neue Maßstäbe. Ein einzelner Wagen der Berliner Eisenbahn, konnte ohne Probleme 20 Personen über die zweieinhalb Kilometer lange Strecke befördern. Damals wurden die Schienen, anstatt wie heute üblich eine Oberleitung, als Stromleitung benutzt. Die Bahnlinie musste von einem eigenem Kraftwerk, in dem zwei Dampfmaschinen mit 4,4 kW Leistung zwei Generatoren antrieben, versorgt werden.

Arten der Rotoren

Die Rotoren des Elektromotors lassen sich in zwei Gruppen gliedern. Der erste Rotor, der auch von Jacobi verwendet wurde, nennt sich Doppel-T-Anker, da der Eisenkern wie zwei aneinander gelegte T-Symbolen aussieht. Die andere Gruppe der Rotoren wird als Dreifach-T-Anker bezeichnet, da sie aus drei eisernen T-Symbolen besteht. Allerdings zählen zu dieser Gruppe nicht nur Dreifach-T-Anker sondern auch Vierfach- und Fünfach-T-Anker und so weiter, die ihrem Namen entsprechend viele T-Anker haben.

Arten von Elektromotoren

Nachdem es gelang den Elekromotor sinnvoll zu nutzen, entwickelten sich schnell einige Unterarten. Hier sind ein Paar Beispiele:

• Gleichstrommotor sind Generatoren, die durch Gleichstrom, also elektrischer Strom, der weder Richtung noch Stärke ändert, betrieben werden. Zudem werden damit Maschinen bezeichnet, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln können.

Der erste Elektromotor von Jacobi war ebenfalls ein Gleichstrommotor.

• Einphasen-Reihenschlussmotoren sind sowohl im Aufbau als auch in der Funktionsweise fast mit dem Gleichstrommotor identisch. Der einzige Unterschied ist, dass dieser Motor, der auch Universalmotor genannt werden kann, sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom aus mechanischer Energie wandeln kann.

• Schrittmotoren sind Elektromotoren, die aus vier jeweils im rechten Winkel liegenden Spulen, bestehen. Der Rotor wird dabei immer nach einer 45° Drehung umgepolt, sodass er sich dreht. Durch die Nutzung zwei weiterer Spulen, kann der Elektromotor angeschlossene Arbeitsgeräte schrittweise drehen. Solche Schrittmotoren findet man etwa in einem Druckkopf eines herkömmlichen Computerdruckers oder einem armähnlichen Industrieroboter aus der Automobilferigung.

Hier ein Bild des Spulenaufbaus in einem Schrittmotor[1]

Generator

Im Prinzip basiert der Generator (lat. Erzeuger, Schöpfer) auf einem ähnlichen Prinzip, wie der Elektromotor. Grundsätzlich bezeichnet man als Generator eine Maschiene, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Generatoren basieren auf dem umgekehrten Prinzip des Elektromotors. Wird in einem Magnetfeld eine Spule, oder eine Leiterschleife gedreht entsteht Induktionsspannung und es entsteht Wechselstrom. Die Spannung verläuft dabei in einer Sinuskurve.

Geschichte

Nach dem Faraday 1831 seine Erkenntnisse über Induktion veröffentlichte, gelang es dem französischen Mechaniker Hippolyte Pixii im Jahre 1832 den ersten funktionierenden Generator zu entwickeln.

Pixii Generator

Der Generator basierte im wesentlichen auf einem frei drehbar gelagerten Hufeisenmagneten, der mit Hilfe von Zahnrädern in Rotation versetzt werden konnte, und zwei darüber angebrachten Induktionsspulen. In seinen Versuchen Stellte er fest, dass durch die drehung des Magneten Wechselstrom erzeugt werden konnte. Es entstand ein kurzer Stromimpuls, wenn einer der Pole des Magneten die induktionsspulen passierte.

Pixii Generator Schema

Windkraftgeneratoren

Allgemeines zu Windkraftanlagen

Windkraftanlagen werden in der Fachsprache auch häufig Windgenergieanlage genannt.Es wandelt kinetische(Bewegungsenergie,die ein Gegenstand auf Grund seiner Bewegung enthält)in elektrische Energie um. Diese gewonnene elektrische Energie wird dann durch einen direkten Zugang in das Stromnetz eingespeist. Und so funktionierts: Die Bewegungsenergie des Windes setzt die Rotorblätter in Bewegung, die sich zu drehen anfangen.Diese Bewegnung(Rotation)wird dann an den Generator im Inneren weiter geleitet,der den Wind in Energie umwandelt.

Windgeneratoren

Windgeneratoren können sowohl industriel als auch zuhause hergestellt und gebaut werden.Diese funktionieren genau wie die Generatoren in den Windkraftanlagen.Sie erzeugen Energie,um z.B. die Beleuchtungssysteme und den Warmwasserspeicher des eigenen Haushaltes zu versorgen.Trotzdem unterscheiden sich die Windgeneratoren von den Windkraftanlagen in mancher Hinsicht:
Meist fehlt die Netzanbindung an z.B.Inselbetriebe
Der Windgenerator ist kleiner als der der WKA(Windkraftanlage)
Der Windgenerator ist einfacher aufgebaut und unterscheiden sich ein bisschen im Aufbau
---> Mehr Rotorblätter,anderes Grundprinzip,abweichende Bauform Eine Abbildung dazu gibt es hier:[2] Und so funktioniert der Windgenerator: Er funktioniert auch nach dem Induktionsprinzip mit großen Magneten im Generatorkern.Durch diese werden die Rotorblätter mit Hilfe der Windrotation in Bewegung gesetzt.Am Rand sitzen Spulen,die ein Magnetfeld erzeugen.In den Spulen selber wird Strom induziert und abgeführt und dann genutzt. In Windkraftanlangen sind zwei verschiedene Typen von Generatoren zu finden den Synchrongenerator und den Asynchrongenerator.

Synchrongenerator

Der Synchrongenerator wird häufig in Kraftwerken verwendet. Fast die ganze elektrische Energieerzeugung geschieht durch diesen. Synchrongeneratoren können auch als Motoren verwendet werden. In diesem Bereich sind sie allerdings nicht häufig anzutreffen.
Ein Synchrongenerator besteht im Wesentlichen aus zwei Bestandteilen, einem Ständer und einem Läufer. Der Ständer besteht verschiedenen Spulen und Blechen. Der Läufer kann entweder mit einem Elektro- oder einem Permanentmagneten erregt werden. Er befindet sich außerdem auf einer drehbaren Welle.
In dem Ständer entsteht ein Magnetisches Feld (Drehfeld), in dem sich der Läufer dreht. Der Läufer bewegt sich hierbei mit der gleichen Drehzahl wie das Drehfeld.

Asynchrongenerator

Der Asynchrongenerator wird in den meisten Windkraftanlagen verwendet, da er relativ leicht an das reguläre Stromnetz angeschlossen werden kann.
Wie der Synchrongenerator besteht auch der Asynchrongenerator aus zwei verschiedenen Teilen dem Läufer und dem Ständer.
Der Asynchrongenerator hat seinen Namen daher, dass sich sein Läufer immer etwas langsamer dreht als das Drehfeld. Die beiden Komponenten sind also Asynchron zueinander.

Heute

Heute werden Generatoren in fast allen Bereichen des Lebens eingesetzt. Um nur einige Beispiele zu nennen:

• Kraftwerke (Windrad, Kernkraftwerk etc.)
• Fahraddynamo
• Industriemaschinen
• Mikrowelle

Quellen

• www.chemgapedia.de
• www.reifen-hobby-depta.de
• http://leifi.physik.uni-muenchen.de
• Physik für Gymnasien 2
• www.wikipedia.org
• Taschenbuch der Physik
• www.wind-energie.de
• www.wer-weiss-was.de