Elektromotoren sind eine unverzichtbare Antriebsquelle in unserem Alltag und in der Industrie. Sie finden in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung, von Haushaltsgeräten über Industriemaschinen bis hin zu medizinischen Geräten und Präzisionsgeräten. Allerdings verfügen wohl nur wenige Menschen über ein systematisches Verständnis davon, wie Elektromotoren funktionieren und welche Arten es gibt.
In diesem Artikel werden die grundlegende Funktionsweise, die Wirkungsweise, die historische Entwicklung sowie die wichtigsten Arten von Elektromotoren für Ingenieure leicht verständlich erläutert. Für diejenigen, die im Rahmen der Produktentwicklung die Auswahl eines Motors in Erwägung ziehen, stellt dieser Artikel eine gute Übersicht über das Grundwissen dar und bildet den ersten Schritt zur Auswahl des optimalen Produkts.
| Unter der Aufsicht der Vertriebsgruppe für elektronische Bauteile der C.I. TAKIRON Corporation Dieser Artikel wurde auf der Grundlage der hochentwickelten technischen Kompetenz und des Fachwissens erstellt, die wir seit unserer Gründung im Jahr 1919 als führendes Unternehmen in der Kunststoffverarbeitung erworben haben.Unsere Abteilung analysiert kontinuierlich die Markttrends und neuesten Technologien im Bereich ultrakompakter, hochpräziser Mikromotoren und konzentriert sich darauf, Konstrukteuren und Entwicklern Informationen mit hohem Mehrwert zur Verfügung zu stellen. Als Expertenteam mit fundierten Kenntnissen der Produkteigenschaften unterstützen wir Sie durch die Bereitstellung präziser und praxisorientierter Inhalte bei der Lösung Ihrer Herausforderungen und bei technologischen Innovationen. |
Grundlegender Aufbau und Funktionsweise von Elektromotoren
Ein Elektromotor ist eine Vorrichtung, die elektrische Energie in mechanische Drehbewegung umwandelt, wobei physikalische Gesetze eng mit seinem Funktionsprinzip verbunden sind. Bei der Auswahl eines Motors für industrielle Anwendungen ist es unerlässlich, das Funktionsprinzip richtig zu verstehen.
Wenn Sie die grundlegende Struktur und die Funktionsweise eines Elektromotors verstehen und wissen, wie dieser elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, können Sie bei der Produktentwicklung den geeigneten Motor auswählen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Was ist ein Elektromotor?
- Grundlegender Aufbau eines Elektromotors
- Das Funktionsprinzip eines Elektromotors
Das Verständnis dieser Grundlagen liefert Ihnen die notwendigen Informationen für die Auswahl des optimalen Motors im Rahmen der Produktentwicklung.
Was ist ein Elektromotor?
Der Begriff „Elektromotor“ ist eine Sammelbezeichnung für Vorrichtungen, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln. Im Japanischen wird er als „Dōdenki“ bezeichnet und erzeugt eine Drehbewegung durch die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und elektrischem Strom.
Verschiedenen Untersuchungen zufolge entfallen etwa 50 % des weltweiten Stromverbrauchs auf motorbetriebene Systeme. Als wichtige Komponente, die die moderne Gesellschaft stützt, kommen sie in allen Bereichen zum Einsatz – von Haushaltsgeräten über Industriemaschinen bis hin zu medizinischen Geräten und Präzisionsinstrumenten.Die Bandbreite reicht von Mikromotoren mit einer Größe von wenigen Millimetern bis hin zu großen Industriemotoren mit einer Länge von mehreren Metern, wobei die Leistung von wenigen mW bis zu mehreren MW reichen kann. Bei der Produktentwicklung ist die Auswahl eines für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneten Motors entscheidend für die Gesamtleistung des Geräts.
Grundlegender Aufbau eines Elektromotors
Ein Elektromotor besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten. (Bei einigen Motoren weichen die Funktionen der folgenden Komponenten ab.)
| Bezeichnung des Bauteils | Funktion und Merkmale |
| St ator | Der feststehende, nicht rotierende Teil. Er dient zur Erzeugung eines Magnetfeldes und besteht aus Permanentmagneten oder Spulen (Elektromagneten). |
| Rot or | Der Teil, der sich in einem Magnetfeld dreht. Er ist mit Spulen umwickelt, und durch das Fließenlassen von Strom wird ein Magnetfeld erzeugt. |
Zwischen Stator und Rotor befindet sich ein winziger Spalt, der als „Luftspalt“ bezeichnet wird; über diesen Spalt wird die Magnetkraft übertragen. Die Bauweise von Stator und Rotor unterscheidet sich je nach Motortyp, doch das Grundprinzip, wonach die Drehkraft durch die Wechselwirkung der Magnetfelder entsteht, ist bei allen Motoren gleich.
Das Funktionsprinzip eines Elektromotors
Ein Elektromotor dreht sich unter Ausnutzung der Lorentzkraft, die entsteht, wenn durch einen in einem Magnetfeld angeordneten Leiter (eine Spule) elektrischer Strom fließt. Wenn das Magnetfeld und der Strom senkrecht zueinander stehen, entsteht eine Kraft in einer Richtung, die zu beiden senkrecht ist. Die Richtung dieser Kraft lässt sich anhand der Linken-Hand-Regel von Fleming bestimmen.Mithilfe dieser Kraft wird am Rotor ein Drehmoment erzeugt, wodurch eine kontinuierliche Drehbewegung ermöglicht wird.
Bei Motoren mit Bürsten wird durch die Zusammenarbeit von Kommutator und Bürsten die Stromrichtung zum richtigen Zeitpunkt umgeschaltet, wodurch der Rotor kontinuierlich in eine bestimmte Richtung dreht. Die Drehzahl des Rotors lässt sich durch Anpassung der angelegten Spannung und der Stromstärke steuern.
Darüber hinaus hängt die Größe des erzeugten Drehmoments (Drehkraft) von der Anzahl der Windungen der am Rotor angebrachten Spule sowie von der Stärke der Magnete ab. Durch die Optimierung dieser Faktoren lassen sich Motoren konstruieren, deren Leistung auf den jeweiligen Anwendungszweck abgestimmt ist.
Geschichte und Entwicklung des Elektromotors
Die Geschichte des Elektromotors reicht bis in den Beginn des 19. Jahrhunderts zurück und hat sich seit der Zeit der industriellen Revolution bis in die Gegenwart durch fortlaufende technische Innovationen weiterentwickelt. Die Motortechnik, die als neue Antriebsquelle als Ersatz für die Dampfmaschine erforscht wurde, wurde dank der Bemühungen zahlreicher Erfinder und Forscher in die Praxis umgesetzt.
Seitdem wurden kontinuierlich Verbesserungen vorgenommen, wodurch sich der Motor zu den heutigen Hochleistungsmotoren weiterentwickelt hat. Wenn man den historischen Verlauf versteht, wird deutlich, welche Herausforderungen die moderne Motortechnik bewältigt hat.
Inhalt dieses Abschnitts
- Die Anfänge des Elektromotors (1820er bis 1880er Jahre)
- Der Weg zur praktischen Anwendung (1880er Jahre bis Anfang des 20. Jahrhunderts)
- Die Entwicklung hin zur modernen Motorentechnik
Die Motortechnologie, die als Ersatz für die Dampfmaschine erforscht wurde, wurde dank der Bemühungen zahlreicher Erfinder und Forscher in die Praxis umgesetzt und hat sich zu den heutigen Hochleistungsmotoren weiterentwickelt.
Die Anfänge des Elektromotors (1820er bis 1880er Jahre)
Im Jahr 1821 entdeckte der britische Wissenschaftler Michael Faraday die Grundprinzipien von Motoren und Generatoren. Faraday beobachtete, wie sich ein Leiter, durch den Strom fließt, in einem Magnetfeld bewegt, und bewies damit das Prinzip der elektromagnetischen Rotation.Im Jahr 1831 entdeckte er das Gesetz der elektromagnetischen Induktion, das den Grundstein für die spätere Entwicklung von Motoren legte. Dieses Gesetz erklärt das Phänomen, dass eine Änderung des Magnetfelds einen elektrischen Strom erzeugt, und ist das Grundprinzip, das sowohl bei Generatoren als auch bei Motoren zur Anwendung kommt.
Im Jahr 1834 baute der US-Amerikaner Thomas Davenport einen batteriebetriebenen Gleichstrommotor und machte damit den ersten Schritt hin zu einem praxistauglichen Motor. Davenport gelang es, eine Druckmaschine mit einem kleinen Elektromotor anzutreiben, und zeigte damit der Welt das Potenzial der elektrischen Antriebskraft.
Diese Zeit stellt eine wichtige Epoche dar, in der der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus wissenschaftlich aufgeklärt und die Grundlagen der Motortechnik gelegt wurden.
Der Weg zur praktischen Anwendung (1880er Jahre bis Anfang des 20. Jahrhunderts)
Im Jahr 1888 erfand Nikola Tesla den zweiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotor, womit das Zeitalter der praxistauglichen Motoren anbrach. Nach der als „Stromkrieg“ bezeichneten Auseinandersetzung zwischen Tesla und Thomas Edison setzte sich das Wechselstrom-Übertragungssystem als Standard durch.
Edison setzte sich zwar für das Gleichstromsystem ein, doch das Wechselstromsystem bot aufgrund der Möglichkeit, die Spannung mithilfe von Transformatoren beliebig anzupassen, entscheidende Vorteile bei der Stromübertragung über große Entfernungen. Das Wechselstromsystem eignete sich besonders gut für die Stromübertragung über große Entfernungen und bildete den Ausgangspunkt für die rasante Ausbreitung des industriellen Einsatzes von Elektromotoren.
Auf der Weltausstellung in Chicago im Jahr 1893 kam ein Wechselstrom-Übertragungssystem zum Einsatz, dessen Vorteile weithin anerkannt wurden. Wechselstrommotoren wurden als Energiequelle für die Beleuchtung und die Ausstellungsgeräte auf dem Gelände eingesetzt und vermittelten den Besuchern einen Eindruck von der Zukunft der Elektrotechnik.
Ab diesem Zeitpunkt wird der Einsatz von Motoren in industriellen Bereichen wie Fabriken und im Verkehrswesen in vollem Umfang beginnen, wodurch sich der Übergang zu einer elektrifizierten Gesellschaft beschleunigen wird.
Die Entwicklung hin zur modernen Motorentechnik
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts schritt die Diversifizierung und Leistungssteigerung der Motortechnik weiter voran. Die Entwicklungen in der Materialwissenschaft und der Elektrotechnik trugen maßgeblich zur Verbesserung der Motorleistung bei. Die wichtigsten Richtungen der technologischen Innovationen sind wie folgt:
[Entwicklungsschwerpunkte der modernen Motorentechnik]
- Das Aufkommen leistungsstarker Permanentmagnete (z. B. Neodym-Magnete)
- Realisierung von Kompaktheit und hoher Effizienz
- Entwicklung von anwendungsspezifischen Motoren
- Die Verschmelzung mit der elektronischen Steuerungstechnik
Insbesondere durch das Aufkommen starker Permanentmagnete wie Neodym-Magnete wurde die Entwicklung kleiner, aber leistungsstarker Motoren möglich. Neodym-Magnete, die in den 1980er Jahren erfunden und in die Praxis umgesetzt wurden, verfügen im Vergleich zu herkömmlichen Ferritmagneten über eine etwa zehnmal so hohe Magnetkraft (Energieprodukt) und führten zu einer Revolution bei der Verkleinerung von Motoren.
In den letzten Jahren wurden nacheinander auf bestimmte Anwendungsbereiche spezialisierte Motoren wie kernlose Motoren und bürstenlose Motoren in die Praxis umgesetzt, wodurch sich ihr Einsatzgebiet im Bereich der medizinischen Geräte und Präzisionsgeräte erweitert hat. In Verbindung mit den Fortschritten in der Halbleitertechnik ist es nun möglich, eine präzisere und effizientere Motorsteuerung zu realisieren.
Die wichtigsten Arten und Merkmale von Elektromotoren
Elektromotoren lassen sich je nach Antriebsart und Bauweise in zahlreiche Typen unterteilen. Grob gesagt werden sie in Gleichstrommotoren (DC) und Wechselstrommotoren (AC) unterteilt; darüber hinaus gibt es weitere Unterkategorien, die sich durch verschiedene bauliche Merkmale auszeichnen, wie beispielsweise Motoren mit oder ohne Bürsten sowie Motoren mit oder ohne Eisenkern (kernlos).
Inhalt dieses Abschnitts
- Der Unterschied zwischen Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren
- Motoren mit Bürsten und bürstenlose Motoren
- Merkmale und industrielle Anwendungsbereiche von kernlosen Motoren
Jeder Motor weist eigene Eigenschaften auf, und die Auswahl des optimalen Typs entsprechend dem Einsatzzweck und den geforderten Leistungsmerkmalen ist entscheidend für den Erfolg der Produktentwicklung.
Der Unterschied zwischen Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren
Elektromotoren lassen sich je nach Art der Stromversorgung grob in Gleichstrommotoren (DC-Motoren) und Wechselstrommotoren (AC-Motoren) unterteilen. Durch das Verständnis der Eigenschaften beider Motortypen ist es möglich, den für die Produktentwicklung geeigneten Motor auszuwählen.
Gleichstrommotoren zeichnen sich durch eine hervorragende Regelbarkeit aus und eignen sich für Anwendungen, bei denen eine präzise Drehzahlregelung und Positionierung erforderlich ist. Da sich die Drehzahl allein durch eine Änderung der Spannung regulieren lässt, ist auch die Auslegung der Regelkreise vergleichsweise einfach.
AC-Motoren zeichnen sich hingegen durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Lebensdauer aus und finden daher in Industriemaschinen breite Anwendung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sie direkt an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden können, wodurch die Betriebskosten bei großen Anlagen gesenkt werden können.
| Punkt | Gleichstrommotor | Wechselstrommotor |
| Stromversorgung | Gleichstromversorgung (Batterie, Gleichstromquelle) | Wechselstromversorgung (Netzstrom) |
| Steuerbarkeit | Einfache und präzise Geschwindigkeitsregelung | Für die Steuerung ist ein Frequenzumrichter erforderlich |
| Aufbau | Relativ komplex (Kommutator, Bürsten) | Einfach und robust |
| Hauptanwendungsbereiche | Präzisionsgeräte, medizinische Geräte, mobile Geräte | Industriemaschinen, Haushaltsgeräte, Pumpen |
| Wartung | Bürstenwechsel erforderlich (sofern mit Bürsten ausgestattet) | Wartungsfrei |
Bitte wählen Sie unter Berücksichtigung des Verwendungszwecks und der Stromversorgungsbedingungen den am besten geeigneten Motor aus.
Motoren mit Bürsten und bürstenlose Motoren
Gleichstrommotoren werden je nach Art der Stromzuführung in Motoren mit Bürsten und bürstenlose Motoren unterteilt.
| Punkt | Motoren mit Bürsten | Bürstenloser Motor |
| Stromumschaltverfahren | Mechanische Umschaltung mittels Bürsten und Kommutator | Elektrische Umschaltung mittels elektronischer Schaltungen |
| Steuerungsart | Einfach (nur Spannungsregelung) | Elektronische Steuerung erforderlich |
| Lebensdauer | Durch Bürstenverschleiß verkürzt | Keine Verschleißteile, daher lange Lebensdauer |
| Wartung | Regelmäßiger Austausch der Bürsten erforderlich | Wartungsfrei |
| Wirkungsgrad | etwas gering (Reibungsverluste) | Hoher Wirkungsgrad |
| Rauschen | Es treten elektrische Störungen auf | Geringe elektrische Störungen |
| Kosten | Niedrige Kosten | etwas höhere Kosten |
Motoren mit Bürsten zeichnen sich durch eine einfache Steuerung und geringe Kosten aus, ihre Lebensdauer ist jedoch aufgrund des Bürstenverschleißes begrenzt. Bürstenlose Motoren verfügen über eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad, erfordern jedoch eine elektronische Steuerung. Die Auswahl erfolgt je nach Anwendungszweck unter Berücksichtigung von Wartungsaufwand, Lebensdauer und Geräuschverhalten.
Merkmale und industrielle Anwendungsbereiche von kernlosen Motoren
Da der kernlose Motor (Motor ohne Eisenkern) aufgrund seiner Konstruktion keinen Eisenkern im Rotor aufweist, verfügt er über hervorragende Eigenschaften, die sich von denen herkömmlicher Motoren unterscheiden.
[ Die wichtigsten Merkmale von kernlosen Motoren ]
- Keine Ruckelmomente, gleichmäßiger Lauf
- Kompakte und leichte Bauweise
- Hohe Effizienz und geringer Stromverbrauch
- Schnelle Ansprechbarkeit dank eines geringen Trägheitsmoments
- Ein Betrieb bei niedriger Spannung ist möglich
Aufgrund dieser Eigenschaften finden sie breite Anwendung in bestimmten Bereichen, in denen eine hohe Präzision bei der Steuerung erforderlich ist, wie beispielsweise bei medizinischen Geräten (Endoskopkameras, chirurgische Bohrer, Pumpen), Präzisionsgeräten (Antriebe für Kameralinsen, Autofokusmechanismen), Industrierobotern und Sicherheitsgeräten (elektronische Schlösser, Smart Locks).
Insbesondere die coggingfreie Eigenschaft stellt bei vibrationsempfindlichen optischen Geräten und medizinischen Geräten einen großen Vorteil dar. Da kein Eisenkern vorhanden ist, tritt kaum eine magnetische Sättigung auf, und es ergibt sich eine lineare Ausgangskennlinie in Abhängigkeit vom Eingangsstrom, wodurch eine präzise Steuerung ermöglicht wird.
Da das Trägheitsmoment des Rotors gering ist, reagieren diese Motoren zudem schnell beim Anlaufen und Abbremsen und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die häufiges Beschleunigen und Abbremsen erfordern. Als Motoren, die den heutigen industriellen Anforderungen nach kompakter Bauweise und geringem Energieverbrauch gerecht werden, finden sie zunehmend Verbreitung.
Zusammenfassung
Ein Elektromotor ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt und durch die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und elektrischem Strom eine Drehbewegung erzeugt. Seit den Erfindungen von Faraday, Tesla und anderen im 19. Jahrhundert hat er sich als wichtige Technologie, die die industrielle Revolution trug, kontinuierlich weiterentwickelt, und heutzutage kommen je nach Anwendungszweck unterschiedlichste Motortypen zum Einsatz.
DC-Motoren und Wechselstrommotoren, Motoren mit und ohne Bürsten sowie kernlose und kernbehaftete Motoren weisen jeweils spezifische Eigenschaften auf; die richtige Auswahl entsprechend den geforderten Leistungsmerkmalen und den Einsatzbedingungen ist entscheidend für den Erfolg der Produktentwicklung. Insbesondere kernlose Motoren zeichnen sich durch ein koggingfreies Laufverhalten und eine hervorragende Reaktionsgeschwindigkeit aus und eignen sich daher besonders für Präzisionssteuerungsanwendungen in den Bereichen Medizin, Industrie, Optik und Sicherheit.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
