Der Elektromotor ist eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Der vom Strom und Magnetfeld angetriebene Läufer leistet mit seinem Drehmoment mechanische Arbeit.

Je nach Einsatzzweck können computergesteuerte Steuerungssysteme erforderlich sein, z. B. Halbleiter-Logiksteuerungen oder speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Über diese Bauteile lassen sich Drehmoment, Drehzahl und Leistung steuern und verwalten. Zu den zahlreichen Motorsteuerungsfunktionen gehören unter anderem Anfahr- und Anhaltevorgänge, Überstromschutz, Überlastschutz, Rückwärtslauf, Drehzahländerungen, Tipp-Betrieb, Gegenstrombremsung und Sequenzablaufsteuerung. Motorsteuerungen decken die gesamte Bandbreite von einfach bis komplex ab. Sie können auf einzelne Motoren beschränkt sein oder ganze Motorgruppen versorgen.

Elektromotoren lassen sich nach Art des Versorgungsstroms grob in zwei Kategorien einteilen: AC-Motoren und DC-Motoren.

DC-Motortypen: je nach Verdrahtung der Feld- und Ankerspulen Reihenschlussmotor, Nebenschlussmotor und Doppelschlussmotor. Weitere Arten von Gleichstrommotoren sind Permanentmagnetmotoren (PMDC) und fremderregte Motoren.

AC-Motortypen: AC-Asynchronmotoren und Synchronmotoren. Eine weitere Klassifizierung erfolgt nach baulichen Merkmalen (Einphasenmotor, Drehstrommotor, Käfigläufermotor, Zweispannungsmotor usw.).

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DC mit Bürste (BDC)

BDC-Motoren werden als Gleichstrommotor „mit Bürste“ bezeichnet, weil für die Umpolung des Magnetfeldes (Kommutierung) Kohlebürsten erforderlich sind. Gleichstrommotoren mit Kohlebürsten laufen in vielen Haushaltsgeräten und Kraftfahrzeugen. Sie haben auch in Industrieanwendungen weiterhin eine starke Nischenrolle, weil nur bei ihnen das Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehzahl variabel ist. BDC-Motoren sind einfach ansteuerbar, weil Drehzahl und Drehmoment in proportionalem Verhältnis zur angelegten Spannung/Stromstärke stehen.

Ein BDC-Motor besteht aus 4 Grundbauteilen: Stator, Läufer (oder Anker), Bürsten und Kommutator. Der Läufer, auch als Rotor oder Anker bezeichnet, enthält eine oder mehrere Wicklungen. Wenn diese Wicklungen erregt werden, entsteht ein Magnetfeld. Weil die Magnetpole dieses Läuferfelds von den Gegenpolen des Stators angezogen werden, dreht sich der Läufer. Während der Motor umläuft, werden die Wicklungen ständig in anderer Reihenfolge bestromt, sodass die vom Läufer erzeugten Magnetpole nicht die Statorpole überfahren. Diese Umschaltung des Magnetfeldes in den Läuferwicklungen wird als Kommutierung bezeichnet. Die Drehrichtung– im Uhrzeigersinn und/oder gegen den Uhrzeigersinn – kann durch Umkehren der Bürstenpolarität, d. h. durch Umstecken der Kabel an der Batterie, leicht umgekehrt werden.

Es gibt vier BDC-Bautypen. Permanentmagnet-BDC-Motor, Nebenschluss-Gleichstrommotor, Reihenschluss-Gleichstrommotor und als vierte Alternative der Verbundmotor, der Merkmale des Nebenschluss- und des Reihenschluss-Gleichstrommotors vereint.

DC ohne Bürste (BLDC)

Der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC) wird auch als elektronisch kommutierter Motor bezeichnet. Auf dem Läufer sind keine Bürsten angebracht, die Kommutierung erfolgt an bestimmten Läuferstellungen elektronisch. Bürstenlose Gleichstrommotoren sind Synchronmaschinen mit Dauermagnet. Wegen ihrer besonderen Gegen-EMK-Kurve (EMK = elektromotorische Kraft) verhalten sie sich ähnlich wie ein Gleichstrommotor mit Kohlebürsten. Bürstenlose Gleichstrommotoren werden nicht direkt von einer Gleichspannungsquelle gespeist. Das grundlegende Funktionsprinzip ist jedoch ähnlich wie bei einem Gleichstrommotor.

Mit einem Läufer mit Dauermagneten und einem Stator mit Wicklungen ist ein bürstenloser Gleichstrommotor letztendlich ein umgekehrter Gleichstrommotor. Er kommt ohne Bürsten und Kommutator aus, die Wicklungen sind an die Steuerelektronik angeschlossen. Die Steuerelektronik übernimmt die Funktion des Kommutators und erregt die jeweils richtige Wicklung. Die Wicklungserregung erfolgt umlaufend um den Stator. Die Statorerregung zieht den Läufermagneten nach und schaltet dann, wenn der Läufer genau über dem Stator steht.

Der bürstenlose Gleichstrommotor ist ideal für Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit, hohe Effizienz und viel Leistung bei kleiner Baugröße erfordern. Bürstenlose Gleichstrommotoren gelten allgemein als Hochleistungsmotoren, die in der Lage sind, in einem breiten Drehzahlbereich große Drehmomente zu erzeugen.

AC-Asynchronmotor

Der AC-Asynchronmotor ist einer der am weitesten verbreiteten Elektromotoren. Er wird in zahlreichen Bereichen eingesetzt und wird als Asynchronmotor bezeichnet, da der Rotor immer mit einer niedrigeren Geschwindigkeit umläuft als das Drehfeld. Er dreht also langsamer als synchron. AC-Asynchronmotoren können einphasig oder mehrphasig sein. Der einphasige Bautyp ist häufiger vorzufinden als der dreiphasige. Er findet sich in Haushaltsgeräten, in gewerblich genutzten Geräten und teilweise auch in Industrieanlagen.

Der Stator des Motors besteht aus überlappenden, versetzten Wicklungen. Wenn die Primärwicklung oder der Stator an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, entsteht ein Magnetdrehfeld, das sich in Synchrongeschwindigkeit dreht. Die theoretische Drehzahl des Rotors in einem Asynchronmotor hängt von der Stromfrequenz und der Anzahl der Spulen ab, die den Stator bilden. Im Freilauf kommt der Motor nah an die Umlaufgeschwindigkeit des Drehfelds heran. Falls kein frequenzvariabler Antrieb eingebaut ist, dreht sich der Motor mit gleich bleibender Geschwindigkeit.

Der größte Vorteil von AC-Asynchronmotoren ist ihr einfacher Aufbau. Weil es nur ein bewegliches Teil (der Rotor) gibt, sind sie kostengünstig, leise, langlebig und relativ störungsfrei. Asynchronmotoren können wegen der Spulenwicklungen etwas schwer und sperrig sein. Dreiphasige Asynchronmotoren treiben viele Industrieanlagen, Aufzüge, Kräne, Drehmaschinen usw. an, da sie robust, zuverlässig und wirtschaftlich sind. Einphasige Asynchronmotoren werden häufig dort eingesetzt, wo kleinere Lasten bewältigt werden müssen, z. B. in Haushaltsgeräten wie Lüftern, Pumpen, Mixern, Spielzeug, Staubsaugern, Bohrmaschinen usw.

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Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)

Der Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ist ein AC-Synchronmotor. Als Felderregungsquelle dienen Permanentmagnete, die Gegen-EMK-Kurve (EMK = elektromotorische Kraft) ist sinusförmig. Der PMSM steht technisch zwischen dem Asynchronmotor und dem bürstenlosen Gleichstrommotor. Wie der bürstenlose Gleichstrommotor hat er einen Permanentmagnetläufer und Wicklungen am Stator. Die Statorwicklungen erzeugen jedoch im Luftspalt der Maschine eine sinusförmige Flussdichte ähnlich der beim Ansynchronmotor. Die Leistungsdichte ist bei gleichen Nennwerten höher als bei Asynchronmotoren, da das Stator-Magnetfeld ohne Stromversorgung entsteht.

Mit den Permanentmagneten kann das PMSM-System auch aus dem Stand heraus unter Last anfahren. Für den Betrieb ist ein digitaler Wechselrichter erforderlich. PMSM werden meist in Anwendungen eingesetzt, in denen hohe Leistung und ein hoher Wirkungsgrad benötigt werden. Hochleistungsfähige Motorsteuerung zeichnet sich aus durch gleichmäßigen Umlauf über den gesamten Drehzahlbereich des Motors, volle Drehmomentkontrolle aus dem Stand und schnelles Beschleunigen und Abbremsen.

Für diese Regelgrößen werden in PMSM Vektorregelungstechniken eingesetzt. Die Vektorregelungstechniken werden auch unter der Bezeichnung „Feldorientierte Regelung“ zusammengefasst. Die Grundidee des Vektorregelungsalgorithmus besteht darin, einen Statorstrom in einen magnetfelderzeugenden und einen drehmomenterzeugenden Teil aufzutrennen. Beide Bestandteile können nach der Aufteilung separat eingeregelt werden.

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Schrittmotor

Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, der eine vollständige Umdrehung in gleich große Schritte unterteilt. Mit jedem Schritt dreht er einen bestimmten inkrementellen Abstand weiter. Wie weit sich die Motorwelle dreht, hängt davon ab, wie viele Schritte der Motor ausführt.

Schrittmotoren geben Schritt-Ausgangssignale aus und sind somit bauartbedingt zur Positionsbeeinflussung in der Lage. Schrittmotoren kann sehr genau vorgegeben werden, wie weit und wie schnell sie drehen sollen. Die Anzahl der Motorschritte entspricht der Anzahl der vom Controller ausgegebenen Impulsbefehle. Wie weit und wie schnell Schrittmotoren drehen, ist proportional zur Anzahl und Frequenz der Impulsbefehle.

Ein Schrittmotor-Controller kann in einen offenen oder geschlossenen Regelkreis integriert sein. Der Unterschied besteht darin, dass ein offener Regelkreis den Motor immer auf die gleiche Leistung einregelt – ausgehend davon, dass das Drehfeld, dem der Rotor folgt, stets gleich ist. In einem geschlossenen Regelkreis wird die Leistung mit Hilfe eines Feedbacksignals auf die Last eingeregelt, die der Motor bewältigen muss. Die meisten Motoranwendungen arbeiten in einem offenen Regelkreis, da diese Konstellation einfacher und kostengünstiger ist.

Schrittmotoren haben mehrere Vorteile gegenüber anderen Motortypen. Mit am beeindruckendsten ist ihre Fähigkeit, sehr präzise zu positionieren. Sie können nach jeder Umdrehung wieder die genau gleiche Zielposition anfahren. Standard-Schrittmotoren haben eine Schrittwinkelgenauigkeit von ±5%. Die Abweichung kumuliert nicht nach jedem Schritt.

Servomotor

Ein Servomotor ist ein sich drehendes oder linear verfahrendes Betätigungselement, das Steuerbefehle für Winkel- bzw. Linearpositionen, Geschwindigkeit und Beschleunigung präzise ausführt. Dieser Motortyp kann Drehwinkel und Geschwindigkeiten genau anfahren und eignet sich deshalb für unterschiedlichste Geräte. Servomotoren finden Verwendung in der Robotik, in CNC-Maschinen und der automatisierten Fertigung. Sie gelten allgemein als Hochleistungsalternative zum Schrittmotor.

In Servosystemen erzielen hochleistungsfähige Servomotoren im Zusammenspiel mit Servoverstärkern (Antrieb) äußerst präzise Positionierungen, Geschwindigkeiten oder Drehmomente. Die Zahnräder und die Welle im Servomotor können hochpräzise angesteuert werden. Der Servoschaltkreis befindet sich direkt in der Motoreinheit. An der positionierbaren Welle ist in der Regel ein Zahnrad angebracht. Der Motor wird mit einem elektrischen Signal gesteuert, das vorgibt, wohin sich die Welle dreht.

In einem geschlossenen Regelkreis meldet eine am Motor angebrachte Rotationserkennung (Impulsgeber) die Drehposition/Motorwellendrehzahl an den Treiber zurück. Der Treiber berechnet die Abweichung des Impulssignals bzw. der Analogspannung (Positionsbefehl/Geschwindigkeitsbefehl) vom Controller und vom Rückmeldesignal (aktuelle Position/Geschwindigkeit) und steuert die Motorwelle, bis der Fehler Null ist. Die Komponenten des geschlossenen Regelkreises (Treiber, Motor, Impulsgeber) gewährleisten, dass der Motor hochpräzise Positionierungsmanöver ausführen kann. In einem Positionssteuerungssystem liefert ein Controller das Impulssignal. Die Geschwindigkeit und die Stoppposition werden dann anhand der Impulsanzahl angesteuert.

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