Eine Einführung in Elektromotoren

Gleichstrommotoren sind in der Automobilindustrie weitverbreitet: Anlasser und Scheibenwischermotoren waren wahrscheinlich die ersten Anwendungen in diesem Bereich. Heute sind Dutzende von Gleichstrommotoren unterschiedlicher Größe in Autos eingebaut.

Gleichstrommotoren waren die ersten Motoren, die zu Beginn des letzten Jahrhunderts in großem Umfang für Traktionsanwendungen eingesetzt wurden. Sie bieten konkrete positive Aspekte: ein hohes Anlaufdrehmoment, die Fähigkeit, plötzliche Laststeigerungen zu bewältigen, eine einfache Drehzahlregelung, eine einfache Konstruktion und geringe Kosten. Sie haben jedoch einen großen Nachteil: Sie benötigen elektrische Kontakte, die Bürsten an einem rotierenden Teil, um die Polarität der Rotorwicklungen zu wechseln.

Deshalb werden sie oft als Bürstenmotoren (bürstenbehaftet) bezeichnet. Dies führt dazu, dass sie aufgrund des Verbrauchs der normalerweise aus Kohle bestehenden Bürsten ständig gewartet werden müssen, was sie praktisch vom Markt verdrängt hat.

Bürstenlose Motoren haben keine lästigen Wartungsarbeiten. Sie haben ähnliche Eigenschaften wie Gleichstrommotoren: hervorragendes Anlaufdrehmoment, hohe Energieeffizienz von bis zu 95 bis 98 % und können so ausgelegt werden, dass sie eine besonders hohe Leistungsdichte (kW/dm³) bei besonders kompakten Abmessungen erreichen. Angesichts dessen gehören sie zu den bevorzugten Motoren für E-Bikes und Zweirad-Anwendungen mit mittlerer Leistung, bei denen der Faktor Kompaktheit entscheidend ist.

Die überwiegende Mehrheit der im Automobilbereich eingesetzten Wechselstrommotoren sind Drehstrommotoren und werden mit Wechselstrom (Drehstrom) betrieben. Im Stator sind Spulen fix angebracht, die mit Dreiphasenstrom versorgt werden. Wenn diese um das rotierende Teil herum angeordnet sind, handelt es sich um einen Innenrotor. Wenn sich die Spulen jedoch im Inneren befinden und der äußere Teil rotiert, spricht man von einem Außenrotor. Es wird auch zwischen Synchron- und Asynchronmotoren unterschieden.

Grundsätzlich sind Synchronmotoren Wechselstrommotoren mit der Besonderheit, dass sie ein rotierendes elektromagnetisches Feld erzeugen. Der Rotor enthält ebenfalls ein Magnetfeld, das von demselben rotierenden Magnetfeld wie der Stator angezogen wird. Auf diese Weise wird das Antriebsmoment erzeugt. Im Gegensatz dazu arbeitet der Asynchronmotor mit Wechselstrom. Das bedeutet, dass die Drehfrequenz nicht gleich oder ein Vielfaches der Netzfrequenz ist, d. h. er ist nicht synchron mit ihr.

In der Robotik werden für Antriebe häufig Servomotoren eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel um kleine Kunststoffgehäuse, aus denen ein Drehzapfen herausragt, der sich in einem Winkel zwischen 0 und 180° drehen und die Position stabil halten kann. Der Drehzapfen wird von einem Gleichstrommotor angetrieben, und ein Getriebe-Mechanismus erhöht das Drehmoment während der Drehung. Die Drehung des Motors erfolgt über einen internen Steuerkreis, der über ein Widerstandspotentiometer den vom Drehpunkt erreichten Drehwinkel erfassen und den Motor am gewünschten Punkt blockieren kann.

Im Inneren des Servos befinden sich ein Motor, ein Getriebe, das die Geschwindigkeit des Motors reduziert, ein Steuerkreis und ein Potenziometer. Der Motor und der Potenziometer sind mit dem Regelkreis verbunden, und zusammen bilden diese drei Elemente einen geschlossenen Regelkreis. Die Schaltung und der Motor werden mit einer stabilisierten Gleichspannung versorgt, die in der Regel zwischen 4,8 V und 6,0 V liegt, obwohl viele Motoren eine Spannung von bis zu 7,2 V aufnehmen können.

Um den Motor, der mit dem Potenziometer verbunden ist, zu aktivieren, muss ein digitales Signal an den Steuerkreis gesendet werden. Die Position der Potenziometer-Welle zeigt eine Messung der Position der Servomotor-Welle an. Wenn der Potenziometer die gewünschte Position erreicht, schaltet der Steuerkreis den Motor ab.

Servomotoren sind für eine partielle Rotation und nicht für eine kontinuierliche Drehbewegung ausgelegt. Obwohl es möglich ist, ein Servo so zu konfigurieren, dass es sich kontinuierlich dreht, besteht seine Hauptaufgabe darin, eine genaue Position der Motorwelle zu erreichen. Auch wenn diese Bewegung nicht sehr groß erscheint, kann sie mehr als ausreichend sein, um einen Roboter zu manövrieren. Die präzise Drehung eines Winkels durch einen Servo als Reaktion auf digitale Signale ist eine der meistgenutzten Funktionen in der Robotik.

Servomotoren sind so konzipiert, dass sie so einfach wie möglich angetrieben werden und die Bewegung ohne komplexe Schaltungen ausführen. Ein Servomotor hat in der Regel nur drei Drähte, die an einer Stiftleistenbuchse mit 2,54 mm Rastermaß angeschlossen sind.

Servos können an einen einzigen dreipoligen Stecker angeschlossen werden, der auf eine Leiterplatte gelötet oder auf ein Breadboard gesteckt werden kann. Sollte das Vorhandensein des Originalsteckers ein Problem darstellen, schneiden Sie einfach die Servo-Anschlussdrähte ab und schließen sie direkt an den Steuerkreis an.

Schrittmotoren gehören zur Familie der bürstenlosen Gleichstrommotoren und dominieren das kleine bis mittlere Leistungssegment, in dem Präzision und Reproduzierbarkeit der Bewegung gefragt sind. Bei diesen Motoren sind alle Wicklungen Teil des Stators, während der Rotor durch entsprechend zusammengesetzte Permanentmagnete realisiert wird. 

Da es sich um bürstenlose Motoren handelt, müssen alle Schaltvorgänge von einer geeigneten externen Treiberschaltung ausgeführt werden. Sie sind in einer breiten Palette von Winkel-Auflösungen erhältlich: von den gröbsten, die sich um 90° pro Schritt drehen, bis zu den hochauflösenden Permanentmagnet-Motoren, die üblicherweise 1,8°-Schritte, d. h. eine Auflösung von 200 Schritten pro Umdrehung, und sogar 0,72° (Auflösung von 500 Schritten) erreichen.

Elektromotoren sind vielleicht gar nicht so futuristisch, wie sie scheinen – sie werden in der Autoindustrie schon seit einigen Jahrzehnten eingesetzt, wenn auch an unerwarteten Stellen, wie dem Motor der Scheibenwischer. Da sich die Technologie weiterentwickelt hat und die Batterien immer leistungsfähiger werden, gibt es jetzt Elektromotoren, die E-Bikes und Autos antreiben, sowie eine Reihe von Roboteranwendungen. Dieser Leitfaden bietet einen Überblick über die gängigsten Arten von Elektromotoren und einen Einblick in ihre Funktionsweise zur Stromerzeugung.

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