Wenn du verstehst, wie ein Elektromotor funktioniert, kannst du viel über Magnetismus und seine Beziehung zur Elektrizität lernen, und es gibt keinen besseren Weg, die Funktionsweise eines Motors zu lernen, als deinen eigenen Motor zu bauen. Doch zunächst ein paar Worte zu den Grundlagen von Elektrizität und Magnetismus.
Die Grundfunktion eines Motors, die Drehbewegung, beruht auf den Grundgesetzen des Magnetismus: Gleiche Pole stoßen sich ab und entgegengesetzte Pole ziehen sich an. Dadurch entsteht die Kraft, die für den Betrieb des Motors notwendig ist. Aber das ist natürlich noch nicht alles, denn jeder funktionierende Elektromotor benötigt eine Anordnung von Permanentmagneten und Elektromagneten.
Alle Elektromotoren bestehen aus mehreren miteinander verbundenen Teilen, darunter ein Stator, ein Rotor, eine Abtriebswelle, ein Gehäuse und bei Gleichstrommotoren (auf die wir später noch genauer eingehen werden) Kommutatoren und Bürsten. Diese Teile bilden zusammen mit einer sorgfältigen Anordnung von Permanentmagneten und elektromagnetischen Spulen einen funktionsfähigen Motor.
In seiner einfachsten Form wandelt ein Motor elektrischen Strom (Wechselstrom oder Gleichstrom) in eine Drehbewegung um. Der Strom wird an eine elektromagnetische Spule angelegt, die ein vorübergehendes Magnetfeld mit einer bestimmten Magnetisierungsrichtung erzeugt, wodurch an jedem Ende des Elektromagneten ein Nord- und ein Südpol entstehen.
Dieses Magnetfeld steht in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld, das von einer Reihe von Dauermagneten erzeugt wird, die mit wechselnden Polaritäten ausgerichtet sind. Die interagierenden Felder ziehen sich dann entweder gegenseitig an oder stoßen sich ab, um eine Drehbewegung an der Abtriebswelle zu erzeugen.
Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Arten von Motoren, die Wechselstrom und Gleichstrom verwenden, um Bewegung zu erzeugen.
Gleichstrommotor (DC)
Die einfachste Form eines Elektromotors ist ein Gleichstrommotor mit Bürsten, der einen frei drehbaren Rotor aus einem stromführenden Leiter (einfach ein Stück Draht, das zu einer rechteckigen Schleife gebogen ist) und statische Permanentmagnete als Stator verwendet.
Die Dauermagnete sind mit benachbarten Gegenpolen ausgerichtet, so dass das Magnetfeld von einem zum anderen durch den Luftspalt zwischen den beiden fließt. Der Gleichstrom wird dann an die am Rotor angebrachte Spule angelegt; dieser angelegte Strom induziert ein Magnetfeld um den Rotor, das mit dem von den Dauermagneten erzeugten Magnetfeld interagiert.
Dieses induzierte Magnetfeld wird dann von einem Magneten abgestoßen und von dem anderen angezogen, wodurch eine Drehkraft entsteht. Diese Drehkraft würde jedoch nur ausreichen, um die Welle um eine halbe Umdrehung zu drehen, da sich dann die Pole der Spule mit den anziehenden Polen der Dauermagneten ausrichten würden und der Motor zum Stillstand käme.
Durch die Verwendung eines so genannten Kommutators am Ende der Achse, der einem halbierten Ring ähnelt, wird die Richtung des Stroms, der von den leitenden Bürsten durch die Spule geleitet wird, genau zum richtigen Zeitpunkt umgedreht. Dieser Wechsel der Stromrichtung ändert die Polarität in der Spule und vollendet so eine volle Umdrehung der Achse. Dieser Vorgang wiederholt sich unendlich oft, solange ein Strom anliegt.
Wechselstrommotor (Induktionsmotor)
Die meisten Geräte, die wir täglich benutzen, werden nicht von Batterien (Gleichstrom) angetrieben und sind daher auf Wechselstrom angewiesen, der seine Richtung etwa 50 Mal pro Sekunde ändert, im Gegensatz zu Gleichstrom, der konstant ist.
Bei einem einfachen Wechselstrommotor sind die elektromagnetischen Spulen Teil des Stators und nicht des Rotors. Diese Spulen erzeugen das Magnetfeld, das die Rotationsbewegung erzeugt. In der Mitte des Statorrings befindet sich eine weitere zylindrische Anordnung, die sich frei drehen kann und aus Metallstäben besteht.
In einem Wechselstrommotor wird der Strom nacheinander an die elektromagnetischen Spulen auf dem Stator angelegt, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, das abwechselnd um den Stator rotiert. Da sich die Richtung des Magnetfelds in den Spulen ständig ändert, wird im Inneren des Rotors ein elektrischer Strom erzeugt, der seinerseits ein eigenes Magnetfeld erzeugt, das dem des Feldes, das ihn erzeugt hat, entgegengesetzt ist.
Die Wechselwirkung zwischen den beiden Feldern bringt den Rotor zum Drehen.
Wie man einen einfachen Gleichstrommotor baut
Im Folgenden wird beschrieben, wie man einen einfachen Gleichstrommotor baut. Sie können auch einer ähnlichen Anleitung auf instructables folgen. Sie benötigen:
– einen Neodym-Magneten mit 10 mm Durchmesser und 5mm Dicke
– AA-Batterie
– Einen halben Meter Kupferdraht
– Zwei Stücke isolierten Drahtes, etwa 15 cm lang
– Zwei Büroklammern
– Zwei Reißzwecken
– Ein kleines Stück Weichholz oder Brett
– Klebeband
– Schleifpapier
Erster Schritt – Herstellung einer Spule
Um eine Spule aus Kupferdraht herzustellen, braucht man etwa einen halben Meter Draht. Nehmen Sie Ihre AA-Batterie und beginnen Sie, die Spule um die Batterie zu wickeln, wobei Sie an jedem Ende ein paar Zentimeter frei lassen. Vergewissern Sie sich, dass Sie eine schöne, enge Spule gewickelt haben, und wickeln Sie die hinteren Enden ein paar Mal um die Spule, um sie zusammenzuhalten. Nun muss die Oberseite beider Enden abgeschliffen werden, um die Isolierung zu entfernen. Achte darauf, dass du nicht die Seiten oder den Boden abschleifst, sondern nur die Oberseite.
Zweiter Schritt – Herstellung eines Rahmens
Um eine einfache Basis für den Motor zu schaffen, nimmst du ein kleines Stück Weichholz oder ein Brett und zwei Büroklammern. Biege die Hälfte jeder Büroklammer zu einem “L” mit einer Auflagefläche, so dass zwei senkrechte Stützen im Abstand von etwa 3 cm entstehen. Befestige die beiden Stützen mit den beiden Reißzwecken.
Dritter Schritt – Batterie mit Büroklammern befestigen
Nimm zwei Stücke Elektrodraht und entferne die Isolierung von beiden Enden jedes Drahtes. Wickle den freiliegenden Draht um jede Büroklammer und verbinde ein Stück Draht mit jedem Ende der Batterie.
Vierter Schritt – Platziere den starken Magneten
Nimm einen starken Neodym-Magneten, idealerweise einen Neodym-Magneten mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 5 mm, und klebe ihn in die Mitte zwischen die beiden Büroklammern.
Fünfter Schritt – Teste deinen Motor
Jetzt brauchst du nur noch die Spule, die auf den beiden Büroklammern ruht, über den Neodym-Magneten zu halten und zu drehen. Der Strom, der von der Batterie durch die Büroklammern in die Spule fließt, erzeugt um die Spule herum ein Magnetfeld, das die Spule in Drehung versetzt.