In der Elektromotorentechnik kann ein falsches Verständnis dieser Komponenten bei Ingenieuren, die mit der Konstruktion, Fertigung, Prüfung oder Systemintegration von Motoren befasst sind, zu Spezifikationsfehlern, Effizienzverlusten oder einer falschen Fehlerdiagnose führen.
Grundlegender Aufbau eines Elektromotors
Bevor man einzelne Komponenten analysiert, ist es wichtig, das grundlegende Funktionsprinzip von Elektromotoren zu verstehen. Im Kern wandeln alle Elektromotoren elektrische Energie mithilfe elektromagnetischer Wechselwirkung in mechanische Bewegung um.
Kernkomponenten
Trotz enormer Unterschiede in Größe, Nennleistung und Anwendungsbereich weisen die meisten Elektromotoren folgende grundlegende Gemeinsamkeiten auf:
- Eine stationäre Struktur, die ein Magnetfeld erzeugt oder aufrechterhält.
- Eine rotierende Struktur, die auf elektromagnetische Kräfte reagiert.
- Ein Luftspalt, der eine relative Bewegung ermöglicht und gleichzeitig die magnetische Kopplung aufrechterhält.
- Eine mechanische Welle, die Drehmoment überträgt.
Stator, Rotor und Anker nehmen innerhalb dieses Systems unterschiedliche Rollen ein.
Elektromagnetische Wechselwirkung und Bewegung
Der Motorbetrieb wird durch zwei primäre elektromagnetische Gesetze bestimmt:
- Lorentzkraft:Ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld erfährt eine Kraft.
- Faradaysches Induktionsgesetz:Ein sich änderndes Magnetfeld induziert eine elektromotorische Kraft.
Je nach Motortyp kann der Strom direkt den rotierenden Wicklungen zugeführt, magnetisch induziert oder vollständig durch permanente Magnetfelder ersetzt werden. Diese Unterschiede bestimmen maßgeblich, ob ein Bauteil als Stator, Rotor oder Anker klassifiziert wird.
Physische Anordnung der Komponenten
In den meisten modernen Radialflussmotoren:
- Der Stator bildet den äußeren, feststehenden Ring.
- Der Rotor dreht sich mit der Welle und ist im Stator untergebracht.
- Je nach Motortyp kann sich der Anker auf der einen oder anderen Seite befinden.
Kurzübersichtstabelle
| Attribut | Stator | Rotor | Anker |
| Bewegung | Stationär | Rotierend | Entweder |
| Elektrische Rolle | Feldgenerierung | Drehmomentreaktion | EM-Wechselwirkung |
| Standort | Äußere (üblicherweise) | Innerlich (in der Regel) | Kommt darauf an |
| Wicklungen | Oft vorhanden | Manchmal | Stets |
Was ist ein Stator?
Der feststehende Teil eines Elektromotors, der das zur Drehmomenterzeugung notwendige Magnetfeld erzeugt oder lenkt, wird als Stator bezeichnet. Im Gegensatz zum Rotor bewegt sich der Stator nicht mechanisch, spielt aber eine aktive elektromagnetische Rolle.
Der Stator der meisten Wechselstrom- und bürstenlosen Motoren verfügt über elektrifizierte Wicklungen, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, das mit dem Rotor interagiert und so die Bewegung erzeugt.
Statorkonstruktion
Aus fertigungstechnischer Sicht ist der Stator eine hochkomplexe Baugruppe, die aus mehreren Teilsystemen besteht.
Statorkernbleche
Der Statorkernwird typischerweise aus dünnen Elektroblechen gefertigt, die axial gestapelt werden und so eine zylindrische Struktur bilden. Die Blechdicke liegt üblicherweise im Bereich von:
- 0,5 mm für Standard-Industriemotoren.
- 0,35 bis 0,2 mm für Motoren mit gutem Wirkungsgrad.
- 0,1 mm oder dünner für Hochgeschwindigkeits- oder Luft- und Raumfahrtanwendungen.
Schlitze und Zähne
Der innere Umfang des Statorkerns weist durch Zähne getrennte Schlitze auf. Diese Merkmale:
- Wicklungen halten und stützen
- die Magnetfeldverteilung formen
- Einfluss von Drehmomentwelligkeit und Geräuschen
Statorwicklungen
Die Statornuten sind mit Kupferwicklungen gefüllt, die vom Kern getrennt sind. Je nach Anwendung können die Wicklungen folgende Ausführungen haben:
- Runddrahtwicklungen
- Rechteckige oder flache Drahtwicklungen
- Haarnadel- oder Stiftwicklungen
Arten von Statoren
Statoren werden anhand der Wicklungsanordnung und der Nutgeometrie klassifiziert.
Geschlitzte vs. schlitzlose Statoren
- Geschlitzte Statoren bieten zwar eine starke magnetische Kopplung, führen aber zu einem Rastmoment.
- Nutlose Statoren sorgen für ein gleichmäßigeres Drehmoment und geringere Geräuschentwicklung, allerdings auf Kosten einer reduzierten Drehmomentdichte.
Konzentrierte vs. verteilte Wicklungen
- Konzentrierte Wicklungen vereinfachen die Fertigung und reduzieren die Windungslänge am Ende.
- Verteilte Wicklungen verbessern die sinusförmige Feldverteilung und den Wirkungsgrad.
Die Funktion des Stators im Systemverhalten
Der Stator hat einen starken Einfluss auf:
- Motorwirkungsgrad
- Leistungsfaktor
- Thermische Grenzen
- Akustisches Rauschen
- Herstellbarkeit und Kosten
Bei vielen Motorkonstruktionen führt die Optimierung des Stators zu größeren Effizienzgewinnen als Änderungen am Rotor.
Was ist ein Rotor?
Der rotierende Teil eines Elektromotors wird Rotor genannt. Er ist mechanisch mit der Abtriebswelle verbunden und wandelt elektromagnetische Kräfte in nutzbares Drehmoment um.
Während der Stator ein Magnetfeld erzeugt, reagiert der Rotor darauf, indem er sich innerhalb dieses Feldes dreht.
Rotorkonstruktion
Die Rotorkonstruktion variiert je nach Motortyp erheblich, die Grundprinzipien der Kernkonstruktion bleiben jedoch gleich.
Rotorkern-Laminierungen
Wie Statoren verwenden auch die meisten Rotoren laminierte Elektroblechkerne, um Verluste zu reduzieren. Rotorlaminate können Folgendes umfassen:
- Schlitze für Leiter
- Flussbarrieren (in Reluktanzmotoren)
- Magnethohlräume (in Permanentmagnetmotoren)
Präzision beim Laminieren ist für die Rotorbalance und die magnetische Symmetrie unerlässlich.
Rotorwellenintegration
Der Rotorkern wird üblicherweise durch Press- oder Schrumpfpassung auf eine Stahlwelle aufgebracht. Diese Verbindung muss folgenden Belastungen standhalten:
- Zentrifugalkräfte
- Torsionsspannung
- Wärmeausdehnung
Eine mangelhafte Wellenintegration kann Vibrationen, Geräusche oder katastrophale Ausfälle verursachen.
Typische Rotortypen
Rotor-Eichhörnchenkäfig
Dieser Rotor, der häufig in Induktionsmotoren verwendet wird, besteht aus leitfähigen Stäben, die durch Endringe kurzgeschlossen sind. Der Strom wird induziert, nicht direkt zugeführt.
Wickelrotor
Enthält Wicklungen, die über Schleifringe verbunden sind und so eine externe Widerstandssteuerung beim Anlauf ermöglichen.
Permanentmagnetrotor
Verwendet eingebettete oder oberflächenmontierte Magnete zur Erzeugung eines konstanten Magnetfelds und eliminiert so Kupferverluste im Rotor.
Auffällige vs. nicht auffällige Rotoren
- Salientrotoren besitzen hervorstehende Pole und variable Luftspalte.
- Nicht-saliente Rotoren bieten gleichmäßige Luftspalte und einen ruhigeren Lauf.
Rotorkühlung und mechanische Belastung
Rotoren sind aufgrund ihrer Rotation höheren mechanischen Belastungen ausgesetzt als Statoren. Zu den Kühlmethoden gehören:
- Interne Luftkanäle
- Wellenmontierte Lüfter
- Flüssigkeitskühlung (Hochleistungsmaschinen)
Was ist ein Anker?
Der Anker wird als das Bauteil definiert, in dem eine elektromotorische Kraft (EMK) induziert wird oder durch das Strom fließt, um mit einem Magnetfeld zu interagieren.
Historisch gesehen stammt der Begriff aus den frühen Gleichstrommaschinen, bei denen der rotierende stromführende Teil klar vom Feldsystem unterscheidbar war.
Anker vs. Rotor: Sind sie dasselbe?
Sie zählt zu den häufigsten Ursachen für Verwirrung.
- Der Rotor ist der Anker von Gleichstrommotoren.
- Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren fungiert der Rotor aufgrund der induzierten Ströme als Anker.
- Bei BLDC-Motoren fungiert der Stator als Anker.
Somit beschreibt die Armatur eine funktionale Rolle, nicht eine feste physische Position.
Armaturkonstruktion
Anker können bestehen aus:
- Laminierte Kerne
- Eingebettete Wicklungen
- Kommutatoren (in Bürstenmaschinen)
Die Ankerwicklungen sind hohen Stromdichten und thermischen Belastungen ausgesetzt, weshalb Isolierung und Kühlung von entscheidender Bedeutung sind.
Wesentliche Unterschiede zwischen Stator, Rotor und Anker
Funktionsvergleich
| Komponente | Hauptfunktion | Bewegung |
| Stator | Erzeugt ein Magnetfeld | Stationär |
| Rotor | Erzeugt ein mechanisches Drehmoment | Rotierend |
| Anker | Wechselwirkung zwischen Strom und elektromagnetischen Feldern | stationär oder rotierende |
Strukturvergleich
- Beim Stator stehen thermische Stabilität und Isolation im Vordergrund.
- Der Rotor zeichnet sich durch mechanische Festigkeit und Auswuchtung aus.
- Die Armatur legt Wert auf eine hohe Effizienz der elektrischen Wechselwirkung.
Elektrisches Verhalten
Armatures Erfahrung:
- Hohe Stromdichten
- Spannungsinduktion
- Kommutierung oder elektronisches Schalten
Statoren sind typischerweise einer geringeren elektrischen Belastung, aber einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt.
Funktionen von Stator, Rotor und Anker in verschiedenen Motortypen
Induktionsmotoren
- Stator: Generator eines rotierenden Magnetfelds
- Rotor: Induktionsstromanker
- Ankerfunktion: Rotor
Gleichstrommotoren
- Stator: Feldsystem
- Rotor: Anker mit Kommutator
- Ankerfunktion: Rotor
Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC)
- Stator: erregte Ankerwicklungen
- Rotor: Permanentmagnete
- Ankerfunktion: Stator
Synchronmotoren und -generatoren
Die Anordnung von Anker und Feld hängt von der Erregungsmethode und der Anwendung ab, insbesondere bei Generatoren.
