Rotor und Stator im Elektromotor

Funktionsweise, Aufbau und Unterschiede von Rotoren und Statoren

Angeschoben durch Megatrends wie den Klimawandel, die Energiewende und die allgemein zunehmende Elektrifizierung des täglichen Lebens, nimmt die Zahl der elektronischen Geräte und Maschinen um uns herum immer weiter zu. Elektrische Fahrräder, elektrische Roller und sogar elektrische Surfboards, vor allem aber die Elektrifizierung des Autos rücken das Thema E-Mobilität in den Vordergrund.

Für alle diese Anwendungen werden effiziente und zuverlässige Elektromotoren benötigt. Elementare Bestandteile von E-Motoren sind Rotor und Stator. Aber welche Aufgaben übernehmen die Rotoren und Statoren in den elektrischen Maschinen wie funktionieren sie und wie werden sie hergestellt?

Um auf diese Frage genauer eingehen zu können, müssen wir uns zuerst damit beschäftigen, wie ein Elektromotor grundsätzlich funktioniert.

rotor und stator

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Die meisten Elektromotoren basieren auf dem Prinzip der sogenannten Lorenzkraft. Es ist eine Kraft, die im äußeren Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt.

Wechselt die Stromrichtung in dem Leiter mit einer bestimmten Frequenz, so wird im Magnetfeld die Bewegung des Leiters bewirkt. Durch die spezielle Bauweise eines Elektromotors erzeugt der Wechselstrom eine Drehbewegung, die als Antrieb genutzt werden kann.

Damit das Magnetfeld gezielt erzeugt und geleitet wird, nutzt man die ferromagnetischen Werkstoffe. Dazu gehören Eisen, Nickel, Kobalt, sowie bestimmte Legierungen und nicht metallische Verbindungen (Weichferrite, viele Dauermagnete).

Einige Elektromotoren nutzen zur Erzeugung des Drehmoments im Rotor die sogenannte Reluktanzkraft. Hier kommt die Bewegung dadurch zustande, dass das System nach minimalem magnetischem Widerstand (Reluktanz) strebt. Auch für diese Motoren werden die ferromagnetischen, oder genauer gesagt die weichmagnetischen Werkstoffe verwendet.

 

Was ist ein Rotor?

Der Rotor ist der bewegliche, besser gesagt sich drehende Teil des Elektromotors. Der Rotor sitz zwischen den Polen des Stators. Er wird häufig aus Eisen oder aus einer Eisenlegierung hergestellt und deswegen auch als Eisenkern bzw. Magnetkern bezeichnet.

Da ein Eisenkern aus Vollmaterial aufgrund hoher Wirbelstromverluste leistungsmäßig ineffizient ist, wird ein Rotor aus einzelnen Blechlamellen, auch Rotorlamellen genannt, gefertigt. Dies trifft ebenfalls auf die Statorlamellen zu. Die Stator- und Rotorlamellen werden aus Elektroblechen gestanzt oder an der Laserschneidanlage geschnitten, zu Magnetkernen gestapelt, miteinander verbunden (z.B. verklebt, geschweißt, vernietet u.a.) und mit Wicklungen (Stator) bzw. mit Permanentmagneten (Rotor) versehen. Je nach Bauart des Elektromotors können sowohl der Rotor als auch der Stator mit Dauermagneten oder mit Wicklungen versehen werden.

Moderne Antriebsmotoren erreichen Drehzahlen, die durchaus bei 10.000 U/min. und sogar deutlich höher liegen können. Dabei entstehen im Rotor erhebliche Fliehkräfte. Für die Positionierung und Ausrichtung der Magnete im Rotor nutzt man entsprechende Öffnungen, die als Magnettaschen bekannt sind.

In den Magnettaschen sind die empfindlichen (spröden) Magnete vor den hohen Fliehkräften sicher geschützt.

statorblechpaket

Was ist ein Stator?

Der Stator, auch als Ständer bezeichnet, ist der unbewegliche Teil des Elektromotors und der magnetische Gegenspieler des Rotors. Seine Aufgabe ist es, das magnetische Feld innerhalb des Elektromotors zu führen.

Statoren können sowohl mit Dauer- als auch mit Elektromagneten versehen werden. Im Stator, beziehungsweise zwischen dem magnetischen Nord- und Südpol des Stators, dreht sich der Rotor. Von einem Innenläufer spricht man, wenn der Stator fest mit dem äußeren Gehäuse des Elektromotors verbunden ist und der Rotor sich in der Bohrung des Stators dreht. Im Gegenzug dazu bezeichnet man einen Elektromotor als Außenläufer, wenn sich der ruhende Teil (Stator) der Maschinen in ihrem Innern befindet und vom bewegten Teil (Rotor bzw. Läufer) umschlossen ist.

Aufbau von Rotor und Stator

Rotor und Stator werden in der Regel in der sogenannten geblechten Bauweise aufgebaut und gefertigt. Man spricht von der geblechten Bauweise, da die Magnetkerne (Rotorkern, Statorkern) aus einzelnen Blechen, auch als Blechlamellen bezeichnet, die jeweils durch eine wenige Mikrometer dünne Beschichtung voneinander isoliert sind, gefertigt werden.

Die einzelnen Bleche werden übereinandergestapelt und zu einem Blechpaket verbacken oder verschraubt. Ein Blechpaket stellt einen Magnetkern und damit einen Rotor oder Stator dar.

Werkstoff für Magnetkerne – Elektroband

Für die Herstellung der einzelnen Bleche der Rotoren und Statoren wird Elektroband verwendet. Elektroband bzw. Elektroblech ist eine Eisen-Silizium-Legierung mit besonderen magnetischen Eigenschaften, die sich für den Einsatz in E-Motoren und Generatoren besonders eignen.

Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften trägt der Einsatz von Blechlamellen aus Elektroblech in der Herstellung von Rotoren und Statoren zu einer wesentlich verbesserten Energieeffizienz (Wirkungsgrad) der elektrischen Systeme und damit zu einer nachhaltigen und optimalen Nutzung der benötigten Energie bei.

Das für Blechpakete verwendete Elektroblech besteht aus einer Eisen-Silizium-Legierung und wird grundsätzlich in zwei Arten klassifiziert: als isotropes bzw. nicht kornorientiertes und als anisotropes bzw. kornorientiertes Elektroband.

Die magnetischen Eigenschaften des isotropen Elektrobandes sind weitgehend gleichmäßig und daher fast unabhängig von der Magnetisierungsrichtung. Diese Isotropie entsteht aufgrund einer nicht geordneten Verteilung der Lage von Eisen-Elementarzellen im Elektroband.

Die Homogenität der magnetischen Eigenschaften ist wichtig für alle rotierenden Maschinen, wie Elektromotoren oder Generatoren. Geringfügige Inhomogenitäten (Anisotropien), die im Herstellungsprozess von Elektroband unvermeidbar sind, können durch den Einsatz spezieller Technologien beim Bau von elektrischen Maschinen ausgeglichen werden.

Herstellung Rotor und Stator

Blechpakete für Motoren in Form von Stator (auch Ständer) und Rotor werden aus geschichteten, untereinander isolierten Einzellamellen aus Elektroband hergestellt. Die Bleche haben in der Regel eine Materialdicke zwischen 0,10 und 1,00 mm, wobei die gängigsten Dicken 0,35 mm und 0,50 mm sich als Standard etabliert haben.

Die Isolierung zwischen den Blechen wird durch eine bestimmte Beschichtung erreicht, die eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Bleche verhindert. Diese Beschichtungen haben häufig nur eine Stärke von wenigen Mikrometern.

Elektroblech-Lamelle für Statorblech Laserschneiden TEPROSA

Elektroblech-Lamelle für Statorblech Laserschneiden TEPROSA

Laserschneiden von Rotor und Stator

Die einzelnen Lamellen werden gestanzt oder lasergeschnitten, wobei sich das Stanzverfahren für die Fertigung großer Stückzahlen eignet und das Laserschneiden Flexibilität bei der Herstellung von Prototypen und kleinen und mittleren Serien bietet.

Das Laserschneiden hat aber auch einige weitere spezifische Vorteile gegenüber dem Stanzen, z.B. treten gegenüber dem Stanzen beim Laserschneiden so gut wie keine Gefügeveränderung an den Kanten der einzelnen Schichten auf. Die einzelnen Bleche werden dann fest miteinander verbunden. Beim Stanzen erfolgt dieser Schritt bereits im Stanzwerkzeug.

Man spricht auch vom Stanzpaketieren. Lasergeschnittene Lamellen werden mit einer entsprechenden Vorrichtung exakt ausgerichtet, übereinandergestapelt und verklebt (Klebepaketieren) oder verbacken (Backlackverfahren).

Sowohl das Backlackverfahren als auch das Klebepaketieren führen zu einer vollständigen Isolation der Einzelbleche und verhindern eventuelle Kurzschlüsse zwischen den Lamellen, die eine Erhöhung der Wirbelstromverluste verursachen können. Durch die vollflächige Verbindung der Schichten werden außerdem ungewollte Vibrationen unterdrückt.

TEPROSA setzt auf das Laserschneiden des Blechs und das Paketieren der Pakete mit dem Backlackverfahren. Die so von uns gefertigten Magnetkerne sind frei von Kurzschlüssen und haben aufgrund des schonendem Fertigungsverfahren ideale magnetische Eigenschaften.

Isolationsbeschichtung der Bleche im Rotor / Stator

Um die Kurzschlüsse zwischen den Lamellen in Elektroblechpaketen zu verhindern und dadurch die Wirbelströme zu verringern, werden verschiedene Beschichtungen auf das Band aufgebracht.

Die Schichtdicken variieren in einer Dicke von 1 bis 4 µm. Je nach Verarbeitungstechnologie und späterer Anwendung existieren Beschichtungen für einen besseren Korrosionsschutz, für die verbesserte Isolation der einzelnen Lagen, für die Hitzebeständigkeit, die Verbesserung der Stanzeigenschaften oder die der Schweißbarkeit.

 

  • Beschichtung C3 – Beschichtung zur Verbesserung der Schmierwirkung. Relevant z.B. für den Stanzprozess.
  • Beschichtung C4 – Beschichtung zur Verbesserung des Korrosionsschutzes und des Isolationswiderstandes.
  • Beschichtung C5 – Beschichtung zur Optimierung der Temperaturbeständigkeit. Relevant z.B. für das Spannungsarmglühen nach dem Stanzprozess.
  • Beschichtung C6 – Beschichtung für einen besonders hohen Isolationswiderstand.
  • Backlack – Backlackverfahren; Beschichtung als Verbindungtechnologie für Blechpakete und Kernbleche.

Ihr Anbieter die Fertigung von Rotoren und Statoren

Die TEPROSA GmbH ist seit vielen Jahren auf die Fertigung von Rotoren und Statoren für Elektromotoren mit außerordentlich hoher Qualität spezialisiert. Im Bereich Elektroblech fertigen wir für Sie einzelne Blechlamellen für Stator und Rotor, sowie ganze Blechpakete (Stator- oder Rotorpakete) aus verschiedenen Elektrobandsorten.

Wir verarbeiten kornorientiertes Elektroband für Generatoren, Transformatoren und anderen elektrische Maschinen. Wir setzen für die Paketierung der Einzellamellen auf die Backlacktechnologie. Alternativen sind das Schweißen oder Verschrauben von Blechpaketen.

Als langjähriger Zulieferer verschiedener OEM ist uns die Qualität unserer Arbeit besonders wichtig. Daher arbeiten wir nach einheitlichen Prozessen und gewährleisten so eine gleichbleibende Qualität und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit jedes einzelnen Fertigungsschritts.

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