Wie funktioniert ein Elektromotor?

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Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Rotationsbewegung um [1]. Dabei nutzt er die Kraft des Magnetismus, die entsteht, wenn elektrischer Strom durch Spulen fließt und so Magnetfelder erzeugt [2].

Aufbau und Grundprinzip

Im Kern besteht ein Elektromotor aus zwei Hauptteilen: einem feststehenden Stator und einem drehbaren Rotor [1]. Im Stator oder im Rotor befinden sich entweder Permanentmagnete oder stromdurchflossene Spulen, die als Elektromagnete wirken [1].

Fließt Strom durch die Spulen, erzeugen diese Magnetfelder. Diese Felder interagieren miteinander: gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an [3]. Diese Anziehungs- und Abstoßungskräfte setzen den Rotor in Bewegung. Damit die Drehung nicht nach einer halben Umdrehung stoppt, wird die Stromrichtung in den Spulen regelmäßig umgepolt [3].

Magnetfelder und Lorentzkraft

Die physikalische Grundlage der Bewegung ist die Lorentzkraft: Sie wirkt auf bewegte elektrische Ladungen, also auf den Strom in den Leitern, wenn dieser sich in einem Magnetfeld befindet [2]. Durch die Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetfeld entsteht ein Drehmoment, das den Rotor antreibt [1].

Gleichstrom- und Drehstrommotor

Gleichstrommotoren (DC) werden mit Gleichstrom betrieben. Die Umpolung des Stroms im Rotor erfolgt mechanisch über Kohlebürsten und einen Kommutator [4]. Das macht sie einfach regelbar, aber auch wartungsanfällig.

Drehstrommotoren (AC) nutzen Wechselstrom, meist Dreiphasenwechselstrom. Der Wechselstrom erzeugt im Stator ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor mitzieht [5]. Asynchrone Drehstrommotoren benötigen keine mechanischen Kontakte zur Stromzufuhr im Rotor – der Strom wird durch Induktion erzeugt. Das macht sie besonders robust und wartungsarm.

Bürstenlose Motoren (BLDC)

Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) verzichtet auf Bürsten und Kommutator. Stattdessen befinden sich die stromdurchflossenen Spulen im festen Stator, während der Rotor aus Permanentmagneten besteht. Eine externe Elektronik steuert den Strom präzise an die Spulen und sorgt so für ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor mitzieht.

Diese Bauweise ist effizienter, weil keine Reibungsverluste durch Bürsten entstehen, die Wärme besser über den Stator abgeführt werden kann und die elektronische Steuerung den Motor immer im optimalen Betriebspunkt hält.

Warum sind Elektroautos so effizient?

Elektroautos profitieren von mehreren Vorteilen des elektrischen Antriebsstrangs. Moderne Elektromotoren wandeln etwa 90 bis 95 Prozent der elektrischen Energie in Bewegung um [5]. Zudem ermöglichen sie die Rekuperation: Beim Bremsen wird der Motor zum Generator und wandelt kinetische Energie in elektrische Energie zurück, die in der Batterie gespeichert wird.

Im Stand kann der Elektromotor vollständig abgeschaltet werden, ohne Leerlaufverluste. Der einfachere Antriebsstrang mit weniger beweglichen Teilen reduziert zusätzliche Reibungsverluste. Zusammen mit präziser Leistungselektronik und optimiertem Thermomanagement ergibt sich ein sehr hoher Gesamtwirkungsgrad.

Welche Materialien werden verwendet?

Für Elektromotoren werden verschiedene Materialien benötigt. Die Wicklungen bestehen meist aus Kupfer wegen seiner hervorragenden Leitfähigkeit. Die Eisenkerne aus Elektroblech minimieren magnetische Verluste.

Besonders leistungsstarke Motoren wie Permanentmagnet-Synchronmotoren nutzen Magnete auf Basis von Neodym-Eisen-Bor. Dabei kommen seltene Erden wie Neodym, Praseodym, Dysprosium und Terbium zum Einsatz, um starke Magnetfelder bei hohen Temperaturen zu ermöglichen. Das Gehäuse besteht häufig aus Aluminium zur guten Wärmeableitung.

Zunehmend werden aber auch Motortypen ohne seltene Erden entwickelt, etwa Asynchronmotoren oder Synchron-Reluktanzmotoren, um die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen zu reduzieren.

Zusammenfassung

Ein Elektromotor wandelt Strom in Bewegung um, indem Strom durch Spulen fließt, Magnetfelder erzeugt und die Lorentzkraft einen Rotor in Drehung versetzt. Je nach Bauart unterscheiden sich Gleichstrom-, Drehstrom- und bürstenlose Motoren vor allem in der Art der Stromzufuhr und Steuerung. Dank hoher Wirkungsgrade, Rekuperation und weniger beweglicher Teile sind elektrische Antriebe besonders im Automobilbereich eine zunehmend wichtige Technologie.