Der Elektromotor

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um, genauer gesagt in eine Drehbewegung. Er steckt in unzähligen Alltagsgeräten: in der Waschmaschine, im Staubsauger, im Ventilator, im Fahrstuhl und zunehmend auch als Antrieb ganzer Autos. Ohne Elektromotoren würde ein großer Teil der modernen Technik einfach stillstehen.

Das physikalische Grundprinzip ist überraschend einfach: Ein stromdurchflossener Leiter erfährt in einem Magnetfeld eine Kraft. Diese Kraft wird beim Elektromotor genutzt, um eine Spule in Drehung zu versetzen. Damit aus dieser einmaligen Kraftwirkung eine dauerhafte Drehbewegung wird, braucht der Motor einen cleveren Trick: den Kommutator, der den Stromfluss in der Spule immer wieder umkehrt.

Elektromotoren gibt es in vielen Bauarten, vom einfachen Gleichstrommotor mit Bürsten und Kommutator, wie er in Spielzeugautos und einfachen Werkzeugen verbaut ist, bis zu bürstenlosen Motoren in modernen Elektroautos. Das grundlegende physikalische Prinzip, die Kraftwirkung des Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter, ist bei allen Bauarten dasselbe.

Ein einfacher Gleichstrommotor besteht aus vier wichtigen Bauteilen: einem feststehenden Dauermagneten, einer drehbar gelagerten Spule, zwei Bürsten und einem Kommutator, der auch Kollektor genannt wird. Der Dauermagnet erzeugt ein gleichbleibendes Magnetfeld, in dem sich die Spule dreht. Die Bürsten sind feststehende Kontakte, die den Strom von der Batterie auf die rotierende Spule übertragen.

Fließt Strom durch die Spule, entsteht um sie herum ein eigenes Magnetfeld. Dieses Spulenfeld wechselwirkt mit dem Feld des Dauermagneten: Auf der einen Seite der Spule stoßen sich die Felder ab, auf der anderen Seite ziehen sie sich an. Dadurch entsteht ein Drehmoment, eine Kraftwirkung, die die Spule in Rotation versetzt.

Nach einer halben Umdrehung würde die Spule ohne weiteres Zutun wieder abbremsen, weil sich die Kraftrichtung umkehren würde. Genau hier greift der Kommutator ein: Er kehrt in diesem Moment die Stromrichtung in der Spule um, sodass die Kraft weiterhin in dieselbe Drehrichtung wirkt. Dieser Wechsel wiederholt sich bei jeder halben Umdrehung, wodurch der Motor dauerhaft in eine Richtung weiterdreht.

Ein häufiger Fehler ist zu glauben, ein Magnetfeld allein reiche aus, um eine dauerhafte Drehung zu erzeugen. Ohne die ständige Umkehr der Stromrichtung durch den Kommutator würde die Spule nach einer Halbdrehung wieder abgebremst, wie im zweiten Beispiel gezeigt. Ein einfacher Dauermagnet und eine stromdurchflossene Spule allein reichen also nicht für einen funktionierenden Motor.

Ein zweiter Fehler ist die Verwechslung von Elektromotor und Generator in Bezug auf die Energieumwandlung. Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um, ein Generator macht genau das Gegenteil und wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Beide Maschinen nutzen jedoch einen ganz ähnlichen Aufbau mit Spule und Magnetfeld.

Ein dritter Fehler ist, die Bürsten und den Kommutator zu verwechseln. Die Bürsten sind feststehende Kontakte, die den Strom auf die rotierende Achse übertragen, während der Kommutator sich mit der Spule mitdreht und die Umschaltung der Stromrichtung bewirkt. Beide Bauteile arbeiten zusammen, erfüllen aber unterschiedliche Aufgaben.

Elektromotoren begegnen dir überall im Alltag: In der Waschmaschine treibt ein leistungsstarker Motor die Trommel an, im Fön ein kleiner Motor das Gebläserad, und im Elektroauto ein besonders effizienter Motor die Räder. Auch in elektrischen Zahnbürsten, Rasierapparaten und Küchengeräten wie Mixern stecken kleine Elektromotoren, die nach demselben Grundprinzip arbeiten.

Interessant ist, dass sich das Prinzip umkehren lässt: Dreht man die Achse eines Elektromotors von außen an, etwa durch Treten in die Pedale, wirkt er als Generator und erzeugt elektrischen Strom. Genau das passiert bei einem Fahrraddynamo oder bei der Rekuperationsbremse eines Elektroautos, die beim Bremsen Bewegungsenergie zurück in elektrische Energie umwandelt und die Batterie auflädt.

Für die Klassenarbeit lohnt es sich, die vier Bauteile eines Gleichstrommotors und ihre jeweilige Aufgabe sicher zu kennen: Dauermagnet, Spule, Bürsten und Kommutator. Häufig wird gefragt, was passieren würde, wenn eines dieser Bauteile fehlt oder ausfällt – wie im zweiten Beispiel dieser Lektion gezeigt, führt das Fehlen des Kommutators dazu, dass keine dauerhafte Drehung mehr zustande kommt.