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Lexikon der Physik: Elektromotor

Elektromotor, eine Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Der Elektromotor ist also das Gegenstück des Generators, welcher mechanische in elektrische Energie umwandelt. Generell besitzt ein Elektromotor ein von einer Erregerwicklung (Spule) erzeugtes magnetisches Hauptfeld (Erregerfeld), das auf den Strom in einer zweiten, der Ankerwicklung, eine Kraft oder ein Drehmoment ausübt. Weiter gibt es immer einen feststehenden (Ständer, Stator) und einen beweglichen Teil (Läufer, Rotor). Dabei trägt entweder der Ständer die Erreger- und der Läufer die Ankerwicklung (Außenpolmaschine) oder umgekehrt (Innenpolmaschine). Die Ankerwicklung erzeugt ihrerseits ein Magnetfeld, das das Hauptfeld stört. Diese Ankerrückwirkung kann durch zusätzliche Wicklungen behoben werden (Verbundwicklung, Kompensationswicklung). Das die Ankerwicklung tragende Bauteil wird Anker genannt.

Man unterscheidet zwischen Linear- und Rotationsmotoren: Bei ersteren bewegt sich ein Metalläufer auf zwei geraden, gleichstromdurchflossenen Schienen in einem dazu senkrechten Magnetfeld aufgrund der Lorentz-Kraft parallel zur Stromrichtung. Dieser Motor hat nur wenige Anwendungen, z.B. zum Antrieb der ausfahrbaren Schublade in CD-Spielern. Wesentlich häufiger und in Technik und Alltag fast allgegenwärtig sind dagegen Rotations-Elektromotoren, daher wird der Begriff ›Elektromotor‹ oft als Synonym für den Rotationsmotor gebraucht. Bei diesem übt das Hauptfeld auf den Strom im Anker ein Drehmoment aus, wodurch das jeweils drehbar gelagerte Bauteil in Rotation versetzt wird. Über eine Welle kann diese Drehbewegung nach außen übertragen werden.

Je nach Art der Stromversorgung unterscheidet man Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren und Drehstrommotoren. Gleichstrommotoren haben feste Erregerwicklungen und einen beweglichen Anker, der Läufer trägt also die Ankerwicklung (Außenpolmaschine). Um eine kontinuierliche Drehung aufrechtzuerhalten, muß die Stromrichtung in den Ankerwicklungen regelmäßig umgepolt werden; dies geschieht mit einem Kommutator oder Stromwender. Die Stromverbindung zum rotierenden Anker stellen Schleifringe oder Bürsten her. Bei Gleichstrommotoren wird noch einmal danach unterschieden, ob Erreger- und Ankerwicklung in Reihe (Hauptschlußmotor, Reihenschlußmotor) oder parallel (Nebenschlußmotor) geschaltet sind. Eine Zwischenstellung nimmt der Compoundmotor (Doppelschlußmaschine) ein. Haupt- und Nebenschlußmotoren haben verschiedene Winkelgeschwindigkeits-Drehmoment-Kennlinien (Momentenkennlinie): Beim Hauptschluß steigt die Drehzahl bei abnehmender Belastung stark an (der Motor ›geht durch‹), bei Nebenschluß variiert die Drehzahl nur um 5-10 % zwischen Leerlauf und Vollast. Nebenschlußmotoren gehen nur durch, wenn die Erregerwicklung unterbrochen wird. Bei Nebenschlußmotoren kann die Drehzahl leicht über das Erregerfeld geregelt werden.

Da sich die Drehrichtung beim Hauptschlußmotor nicht ändert, wenn Erreger und Anker gleichzeitig umgepolt werden, ist dieser auch für Wechselstrom geeignet, wenn die Wirbelstromverluste klein gehalten werden (Universalmotor), er wird daher häufig als Kleinmotor bei Haushalts- und Büromaschinen eingesetzt. Wegen des guten Anfahrmoments dienen Wechselstrom-Hauptschlußmaschinen auch als Motoren von Eisenbahnlokomotiven, hier wird jedoch zur Vermeidung von zu hohen Funkenspannungen die Betriebsfrequenz auf 16,66 Hz, d.h. 1 / 3 der normalen Netzfrequenz von 50 Hz, herabgesetzt. Weitere gebräuchliche Wechselstrommotoren sind der mit dem Drehstrom-Asynchronmotor verwandte Kondensatormotor (Induktionsmotor, Asynchronmotor) und der Spaltpolmotor.

Beim synchronen Drehstrommotor besteht der Ständer aus drei Ankerwicklungen im Winkelabstand von 120°, die mit den drei Phasen einer Drehstrom-Leitung verbunden sind. Diese erzeugen ein Drehfeld, welches den Läufer in Rotation versetzt. Der Läufer ist meist ein gleichstromerregter Elektromagnet. Beim asynchronen Drehstrommotor (Asynchronmotor) besteht der Läufer meist aus einem ›Käfig‹ aus kurzgeschlossenen Metallstäben (Kurzschluß-, Käfigläufer), welcher dem Drehfeld asynchron hinterherläuft. Aufgrund der einfachen Bauweise ohne Schleifring, Bürsten oder Drahtwicklungen ist dieser Motor weit verbreitet, er hat jedoch eine starre Drehzahl. Der Drehstrommotor mit Schleifringläufer ist komplizierter gebaut, erlaubt jedoch eine, wenn auch verlustbehaftete, Drehzahlregelung und ein größeres Anlaufmoment. Der noch kompliziertere Drehstrom-Kommutatormotor ermöglicht eine verlustfreie Drehzahlregelung.



Elektromotor 1: Legt man an eine Generatorspule eine Wechselspannung der Frequenz ω an, so wird der Generator zum Motor.



Elektromotor 2: Ein einfacher elektrischer Motor in Form eines Metallstabes, der auf Metallschienen mit der Geschwindigkeit v gleitet, in einem Magnetfeld B. An die Schienen ist eine Gleichspannungsquelle der Spannung UQ über einen Widerstand R angeschlossen, die einen Strom der Stärke I erzeugt.



Elektromotor 3: Einfacher elektrischer Rotationsmotor. Die Stromrichtung wird durch Kreuze bzw. Punkte dargestellt.



Elektromotor 4: Motor eines Rennwagens für eine Modellrennbahn, bei dem die obere Gehäusehälfte entfernt wurde. Die Achse (1) läuft in Lagern (2), die sich auf der rechten und linken Seite befinden. Der Anker besteht aus zwölf dünnen Plättchen (3) aus leicht magnetisierbarem Material, die miteinander verklebt sind. Die Plättchen sind so geformt, daß drei Nuten und drei Pole entstehen. Die Schlitze sind so groß, daß viele Windungen Platz finden. Die gesamten Windungen um einen Pol nennt man eine Wicklung. Die Wicklungsenden sind miteinander verlötet (4) und mit den Kommutatorsegmenten verbunden (5). Im Gehäuseinnern sind Permanentmagnete angebracht (6), die das Statorfeld erzeugen. An die äußeren Anschlüsse (7) wird eine Spannung angelegt. Der Strom fließt durch die obere haarnadelförmige Bürste (8). Von dort fließt er weiter zum oberen Kommutatorsegment, durch die Verbindungsleitungen und über das untere Kommutatorsegment (9) zurück zur Spannungsquelle. Die einzelnen Kommutatorsegmente sind gegeneinander isoliert (10). Man kann die Funktion des Motors durch zwei unterschiedliche Ansätze beschreiben: Entweder erklärt man das Motordrehmoment durch die Wechselwirkung des Ankerstroms mit einem stehenden Magnetfeld, oder man führt das Motordrehmoment auf die Wechselwirkung der feststehenden Magneten mit den wechselnden magnetischen Polen, die der Strom in den Ankerwicklungen erzeugt, zurück. Eine sorgfältige Analyse zeigt, daß beide Ansätze im Grunde gleich sind.

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Maritha Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Regensburg [NN] (A) (05)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
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Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
Dr. Karl-Henning Rehren, Göttingen [KHR] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Dr. Peter Oliver Roll, Mainz [OR1] (A, B) (04, 15; Essay Distributionen)
Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
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Prof. Dr. Heinz-Georg Schuster, Kiel [HGS] (A, B) (11; Essay Chaos)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (A, B) (07, 20)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29; Essay Atmosphäre)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
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Prof. Dr. David Wineland, Boulder, USA [DW] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Harald Wirth, Saint Genis-Pouilly, F [HW1] (A) (20)Steffen Wolf, Freiburg [SW] (A) (16)
Dr. Michael Zillgitt, Frankfurt [MZ] (A) (02)
Prof. Dr. Helmut Zimmermann, Jena [HZ] (A) (32)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)

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In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Dr. Ulf Borgeest, Hamburg [UB2] (A) (Essay Quasare)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Georg Hoffmann, Gif-sur-Yvette, FR [GH1] (A) (29)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
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Dr. Catherine Journet, Stuttgart [CJ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Dr. Uwe Klemradt, München [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
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Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
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Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
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Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
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Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
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Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
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Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
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Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
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Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
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Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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