Elektromotor

Ein Elektromotor macht aus Strom eine Drehung: Eine stromdurchflossene Spule zwischen Magnetpolen wird seitlich gedrückt, und ein Kommutator oder ein Drehfeld sorgt dafür, dass dieser Druck immer in dieselbe Richtung wirkt. Moritz Jacobis Motor von 1834 leistete weit mehr als alle früheren; heute verbrauchen motorgetriebene Systeme rund die Hälfte des Stroms auf der Welt.

Was es ist

Ein Elektromotor wandelt elektrischen Strom in eine Drehbewegung um. Er treibt Ventilatoren, Pumpen, Aufzüge, Straßenbahnen und Werkzeugmaschinen an. Die Electric Motor Systems Platform des 4E-Programms der Internationalen Energieagentur schätzt, dass motorgetriebene Systeme 2023 rund 53 % des Stroms weltweit verbrauchten.

Die Tafel zeigt einen batteriegespeisten Gleichstrommotor aus dem späten 19. Jahrhundert.

Wie es funktioniert

Ein stromdurchflossener Draht in einem Magnetfeld wird seitlich gedrückt, quer zum Strom und quer zum Feld. Liegt eine Spule zwischen zwei Polen, fließt der Strom in ihren beiden Längsseiten in entgegengesetzter Richtung. Die eine Seite wird nach oben gedrückt, die andere nach unten, und die Spule dreht sich.

Zweiteiliger Kommutator: Bei jeder halben Umdrehung wechseln die Bürsten die Hälfte.

Sich selbst überlassen, würde die Spule sich drehen, bis sie quer zum Feld steht, ein wenig pendeln und dort stehen bleiben. Das verhindert der Kommutator. Er ist ein Ring auf der Welle, in gegeneinander isolierte Segmente geteilt, die jeweils mit der Spule verbunden sind; zwei feste Bürsten schleifen darauf und führen den Strom zu. In der einfachsten Form mit zwei Segmenten gleiten die Bürsten nach jeder halben Umdrehung auf das andere Segment, der Strom in der Spule kehrt sich um, und das Drehmoment behält seine Richtung.

Ein Maschinenanker trägt viele Spulen rund um eine Eisentrommel, jede mit eigenen Segmenten, damit das Drehmoment gleichmäßig bleibt. Das Eisen ist aus dünnen, isolierten Blechen geschichtet, denn in einem massiven Kern flössen Wirbelströme, die Leistung als Wärme verschwenden. Das Feld liefern bei vielen kleinen Motoren Dauermagnete, bei den meisten Maschinen des 19. Jahrhunderts wie der auf der Tafel Elektromagnete.

Ein drehender Anker arbeitet zugleich als Generator. In seinen Spulen entsteht eine Spannung, die der Versorgung entgegenwirkt, die Gegenspannung, und sie wächst mit der Drehzahl. Beim Anlaufen fehlt sie noch, deshalb kann der Strom ein Vielfaches des Betriebswerts erreichen. Mit steigender Drehzahl wächst die Gegenspannung und der Strom sinkt, bis das Drehmoment der Last entspricht. Dreht man dieselbe Maschine von Hand, bei erregtem Feld und angeschlossener Last, liefert sie Strom: Motor und Generator sind ein und dasselbe Gerät, nur in umgekehrter Richtung betrieben.

Asynchronmotoren für Wechselstrom haben keinen Kommutator. Feste Wicklungen mit zeitlich versetzten Strömen erzeugen ein Drehfeld. Es induziert Ströme in den Kupfer- oder Aluminiumstäben des Läufers, der sich etwas langsamer dreht als das Feld.

Wie man ihn baut

Für den Schulmotor braucht man eine 1,5-V-Zelle (Mono oder Mignon), etwa einen Meter Kupferlackdraht von 0,5 bis 0,8 mm, zwei große Büroklammern, einen Scheibenmagneten aus Ferrit oder Neodym, ein kräftiges Gummiband und feines Schleifpapier.

Spule wickeln. Den Draht 10- bis 20-mal um einen Filzstift wickeln und an jedem Ende 4 bis 5 cm gerade lassen. Jedes freie Ende zweimal um das Bündel schlingen, damit es hält. Die beiden Enden müssen auf gegenüberliegenden Seiten austreten, in einer Linie durch die Spulenmitte: Sie bilden die Achse.

Der Büroklammer-Kommutator: oben blankes Kupfer, unten bleibt der Lack, so fließt Strom nur in der halben Umdrehung, in der die blanke Seite auf der Klammer liegt.

Kommutator herstellen. An einem Ende den Lack ganz abschleifen. Am anderen die Spule so aufrecht halten, wie sie später steht, und den Lack nur von der oberen Hälfte des Drahts entfernen. Dieses Ende leitet eine halbe Umdrehung lang und isoliert die andere Hälfte, so wird die Spule nie zurückgedrückt; den toten Halbkreis überwindet sie mit Schwung.

Halter montieren. Jede Büroklammer zu einer Stütze mit flachem Fuß unten und kleiner Öse oben biegen. Das Gummiband der Länge nach um die Zelle über beide Füße spannen, sodass es jede Klammer fest an einen Pol drückt. Den Magneten seitlich unter die Ösen auf die Zelle setzen, wo er am Stahlmantel haftet. Die Spule wenige Millimeter über dem Magneten in die Ösen legen.

Anwerfen. Der Spule einen leichten Schubs geben. Pendelt sie nur, die Spule umdrehen oder die blanke Seite nachschleifen.

Größer bauen. Ein stärkerer Magnet gibt mehr Drehmoment; mehr Windungen helfen auch, solange der längere Draht den Strom nicht zu stark senkt. Ein Werkstattmotor hat mehrere Spulen auf einem geblechten Eisenkern, einen Kommutator mit vielen Segmenten und gefederte Bürsten wie auf der Tafel.

Sicherheit. Nur eine oder zwei gewöhnliche 1,5-V-Zellen verwenden, nie das Stromnetz, eine Autobatterie oder einen Lithium-Ionen-Akku. Die Spule ist fast ein Kurzschluss, und solche Quellen liefern genug Strom, um die Haut zu verbrennen, den Draht zu schmelzen oder einen Brand zu verursachen. Auch eine kleine Zelle wird heiß, ob der Motor läuft oder nicht: nur kurz und unter Aufsicht betreiben, und die Zelle abklemmen, sobald sie oder der Draht warm wird, vor jedem Nachstellen oder Schleifen und nach dem Versuch. Neodymmagnete schnappen so hart zusammen, dass sie die Haut einklemmen, und können zersplittern. Von Herzschrittmachern und anderen Implantaten fernhalten und außer Reichweite kleiner Kinder aufbewahren: Zwei verschluckte Magnete können sich durch die Darmwand hindurch anziehen.

Geschichte und Entwicklung

Faradays Rotation (1821): Das freie Drahtende kreist um den Magneten.

1820 sah Hans Christian Ørsted eine Kompassnadel neben einem stromdurchflossenen Draht ausschlagen. Am 3. September 1821 ließ Michael Faraday einen in Quecksilber tauchenden Draht um einen Magneten kreisen, und 1822 drehte Peter Barlow ein sternförmiges Rad zwischen Magnetpolen. Beides waren Vorführungen mit kaum nutzbarer Leistung. Starke Felder kamen mit dem Elektromagneten, den William Sturgeon Mitte der 1820er-Jahre baute, und um 1832 bauten William Ritchie und Sturgeon drehende Maschinen mit Kommutator.

Im Mai 1834 vollendete Moritz Hermann Jacobi in Königsberg einen Motor mit acht hufeisenförmigen Elektromagneten, der etwa 15 Watt leistete. Diese Tafel setzt 1834 an: Faraday zeigte das Prinzip, und Sturgeons kleine Maschine drehte schon einen Bratspieß, doch Jacobis Maschine war weit stärker, und kein anderer Erbauer erreichte sie vor etwa 1839. Thomas Davenports amerikanisches Patent folgte 1837.

Batterien machten den Betrieb teuer, bis der Generator billigen Strom lieferte. 1873 zeigte sich, dass ein Dynamo von Zénobe Gramme als Motor lief, wenn ein anderer ihn speiste. Galileo Ferraris in Turin erforschte das Drehfeld ab 1885 und veröffentlichte im März 1888; Nikola Tesla, unabhängig von ihm in New York, erhielt sein Patent auf den Induktionsmotor am 1. Mai 1888. Heute treiben elektronisch geschaltete Dauermagnetmotoren Drohnen und Elektroautos an.