Elektromotoren: Gleichstrom-, Schritt-, Drehstrom- und Servomotoren

Elektromotoren: Gleichstrom-, Schritt-, Drehstrom- und Servomotoren

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Gleichstrommotor, BLDC-Motor, Schrittmotor, Schrittwinkel, Servomotor, Drehstrom-Asynchronmotor, Schlupf, Stern-Dreieck-Anlauf, Motorschutzschalter, Wiedereinschaltsperre, Vibrationsmessung, Prüfungsvorbereitung

tl/dr; (ca. 27 min Lesezeit): Ob Lüfter, Förderband, 3D-Drucker oder Roboterarm – überall wandeln Elektromotoren elektrische in mechanische Energie um. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Gleichstrom- und BLDC-Motoren, Schrittmotoren, Servomotoren und Drehstrom-Asynchronmotoren aufgebaut sind, wie Du Schrittzahlen und Drehzahlen berechnest, warum ein Drehstrommotor im Stern-Dreieck-Anlauf nur ein Drittel seines Anlaufmoments hat, welcher Motor zu welcher Aufgabe passt, wie ein Motorschutzschalter vor Überlast und einem blockierten Motor schützt und wie die Vibrationsmessung Lager- und Unwuchtschäden früh erkennt [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 13.11.2026)

Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste des Artikels Drehstrom auf.

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Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … Gleichstrom-, BLDC-, Schritt-, Servo- und Drehstrom-Asynchronmotoren nach Aufbau, Ansteuerung und Rückmeldung unterscheiden.

• … den Motortyp aus einer Prinzipdarstellung (Permanentmagnetläufer, Ständerwicklungen, Kommutator) erkennen.

• … Eigenschaften von Schrittmotoren (Schrittwinkel, Haltemoment, digitale Ansteuerung) bestimmen und Schrittzahlen und Drehzahlen berechnen.

• … den Aufbau eines Servomotors mit Positionserfassung beschreiben, auch aus einem englischen Fachtext.

• … Anlaufstrom und Anlaufmoment eines Drehstrom-Asynchronmotors beim Stern-Dreieck-Anlauf bestimmen und begründen, für welche Lasten und zu welchem Zeitpunkt umgeschaltet werden kann.

• … einen Kleinmotor für eine Positionieraufgabe ohne Rückmeldung auswählen und die Auswahl begründen.

• … die Schutzfunktion der thermischen Auslösung (Bimetall) eines Motorschutzschalters und seine Wiedereinschaltsperre erklären.

• … die elektrischen Auswirkungen eines mechanisch blockierten Motors und die Reaktion der Motorschutzeinrichtung bestimmen.

• … einen Motorschutzschalter auf den Bemessungsstrom des Motors einstellen.

• … die Vibrationsmessung als Inspektionsverfahren zur Früherkennung von Lagerschäden und Unwucht erklären und Hinweise zur vorbeugenden Instandhaltung von Elektromotoren bestimmen.

Ein Elektromotor macht aus elektrischer Energie Bewegung. Das Grundprinzip ist immer dasselbe: Ein Magnetfeld übt eine Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter aus, und weil die Leiter auf einem drehbaren Läufer sitzen, entsteht ein Drehmoment. Die Motoren unterscheiden sich darin, wo der Magnet sitzt (im feststehenden Ständer oder im drehenden Läufer), wie der Strom in den Wicklungen umgeschaltet wird und ob die Steuerung erfährt, wo die Welle gerade steht.

Das Bild sortiert die Motoren, um die es in diesem Artikel geht, nach ihrer Aufgabe: Manche sollen vor allem drehen (eine Drehzahl halten), andere sollen positionieren (einen Winkel genau anfahren). Dazu kommen Schutz und Instandhaltung, die für alle Motoren gelten.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Elektromotoren.

Schritt 1: Motoren im Vergleich

Bevor es in die Einzelheiten geht, lohnt ein Blick auf die Unterschiede. Die Tabelle fasst zusammen, was in den folgenden Schritten erklärt wird:

Kennbuchstabe für jeden Motor ist nach DIN EN 81346-2 das M (z. B. -M1). Ein Geber, der die Drehzahl oder Position misst, ist ein Sensor und bekommt ein B.

Schritt 2: Der Gleichstrommotor

Ein Gleichstrommotor besteht aus dem feststehenden Ständer mit Permanentmagneten (bei großen Motoren mit einer Erregerwicklung) und dem drehenden Anker mit Wicklung. Damit das Drehmoment immer in dieselbe Richtung wirkt, muss der Strom im Anker bei jeder halben Umdrehung umgepolt werden. Das erledigt der Kommutator (Stromwender): ein geteilter Kupferring auf der Welle, auf dem zwei Kohlebürsten schleifen.

Dreht sich der Anker im Feld, wird in seiner Wicklung eine Spannung induziert, die der angelegten Spannung entgegenwirkt: die Gegenspannung (Quellenspannung) U_\mathrm{q}. Sie ist proportional zur Drehzahl. Für den Ankerkreis gilt deshalb das folgende Ersatzschaltbild:

U = I \cdot R_\mathrm{A} + U_\mathrm{q} \qquad U_\mathrm{q} = c \cdot n \qquad M = k \cdot I

Daraus folgen die wichtigsten Eigenschaften:

• Anlauf: Im Stillstand ist U_\mathrm{q} = 0. Den Strom begrenzt nur der kleine Ankerwiderstand. Ein Motor mit U = 24\,\mathrm{V} und R_\mathrm{A} = 1{,}2\,\Omega zieht beim Einschalten I_\mathrm{An} = 24\,\mathrm{V} / 1{,}2\,\Omega = 20\,\mathrm{A}. Läuft er und nimmt 2\,\mathrm{A} auf, ist die Gegenspannung auf U_\mathrm{q} = 24\,\mathrm{V} - 2\,\mathrm{A} \cdot 1{,}2\,\Omega = 21{,}6\,\mathrm{V} gestiegen.

• Drehmoment: Das Drehmoment ist proportional zum Ankerstrom. Wird der Motor stärker belastet, sinkt die Drehzahl etwas, U_\mathrm{q} wird kleiner und der Strom steigt, bis das Moment wieder reicht.

• Drehzahl: Die Drehzahl ist ungefähr proportional zur Ankerspannung. In der Praxis stellt man sie mit PWM (Pulsweitenmodulation) ein.

• Drehrichtung: Die Drehrichtung kehrt sich um, wenn die Ankerspannung umgepolt wird. Mit einer H-Brücke geht das elektronisch; das behandelt der Artikel Motoransteuerung.

• Nachteil: Bürsten und Kommutator verschleißen, erzeugen Funken (Störungen, nicht für explosionsgefährdete Bereiche) und brauchen Wartung.

Ein kleiner Gleichstrommotor auf der Welle eines anderen Motors arbeitet als Generator: Dieser Tachogenerator liefert eine Spannung, die proportional zur Drehzahl ist, und dient als Istwertgeber in einer Drehzahlregelung.

Schritt 3: Der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC)

Beim BLDC-Motor (Brushless DC, bürstenloser Gleichstrommotor, auch EC-Motor) ist die Anordnung umgedreht: Der Permanentmagnet sitzt im Läufer, die drei Wicklungen (U, V, W) sitzen im Ständer. Einen Kommutator gibt es nicht. Stattdessen melden meist drei Hall-Sensoren, wo der Magnet gerade steht, und eine Elektronik schaltet die Wicklungen passend weiter (elektronische Kommutierung). Ohne Sensoren wertet die Elektronik die Gegenspannung der gerade nicht bestromten Wicklung aus (sensorlose Kommutierung).

• Vorteile: kein Bürstenverschleiß, keine Funken, hoher Wirkungsgrad, hohe Drehzahlen, gute Wärmeabfuhr (die Wicklungen liegen außen am Gehäuse).

• Nachteil: Der Motor läuft nur mit seiner Ansteuerelektronik.

• Erkennen: drei Leistungsanschlüsse und meist fünf dünne Sensorleitungen (drei Hall-Signale, Versorgung, Masse). Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor hat dagegen nur zwei Anschlüsse.

BLDC-Motoren drehen zuverlässig, sind aber ohne zusätzlichen Geber keine Positionierantriebe: Die Hall-Sensoren melden nur grob, in welchem Sektor der Läufer steht. Mit einem Drehgeber und einer Regelung werden sie zum Servomotor (Schritt 5).

Schritt 4: Der Schrittmotor

Ein Schrittmotor dreht sich nicht gleichmäßig, sondern springt mit jedem Ansteuerimpuls um einen festen Schrittwinkel \alpha weiter. Eine Elektronik bestromt die Ständerwicklungen (Phasen) nacheinander, und der magnetische Läufer richtet sich jeweils nach dem Feld aus. Das Bild zeigt das Prinzip an einem einfachen Permanentmagnet-Schrittmotor mit zwei Phasen:

Bauarten

• Permanentmagnet-Schrittmotor: Der Läufer ist ein Magnet. Große Schrittwinkel (z. B. 7,5° oder 15°), billig, z. B. in Lüftungsklappen.

• Reluktanz-Schrittmotor: gezahnter Weicheisenläufer ohne Magnet. Kleine Schritte, aber kein Moment ohne Strom.

• Hybrid-Schrittmotor: Magnet mit gezahnten Polscheiben, verbindet beide Vorteile. Typisch sind 200 Schritte je Umdrehung (\alpha = 1{,}8^\circ). Er ist die häufigste Bauart, etwa in 3D-Druckern und Dosierpumpen.

Schrittwinkel, Schrittzahl und Drehzahl

Für einen Schrittmotor mit z Schritten je Umdrehung gilt:

\alpha = \frac{360^\circ}{z} \qquad N = \frac{\varphi}{\alpha} \qquad n = \frac{f_\mathrm{S}}{z}

mit dem gewünschten Drehwinkel \varphi, der nötigen Schrittzahl N und der Schrittfrequenz f_\mathrm{S} (Schritte je Sekunde).

Beispiel: Ein Motor mit \alpha = 1{,}8^\circ hat z = 360^\circ / 1{,}8^\circ = 200 Schritte je Umdrehung. Für eine Drehung um \varphi = 135^\circ braucht er N = 135^\circ / 1{,}8^\circ = 75 Schritte. Bei f_\mathrm{S} = 1000\,\mathrm{Hz} dreht er mit n = 1000\,\mathrm{s^{-1}} / 200 = 5\,\mathrm{s^{-1}} = 300\,\mathrm{min^{-1}}. Ist ein Getriebe oder ein Zahnriemen dazwischen, wird der Winkel an der Abtriebsseite mit dem Übersetzungsverhältnis auf die Motorwelle umgerechnet.

Betriebsarten

Im Halbschritt braucht der Motor aus dem Beispiel also 400 Schritte je Umdrehung und für 135^\circ genau 150 Schritte.

Haltemoment und Schrittverlust

• Das Haltemoment ist das größte Drehmoment, mit dem ein bestromter, stillstehender Motor seine Position gegen eine äußere Last hält. Es steht im Datenblatt (z. B. 0{,}45\,\mathrm{N \cdot m}) und ist das größte Moment, das der Motor überhaupt liefert.

• Das kleinere Selbsthaltemoment (Rastmoment) haben Permanentmagnet- und Hybridmotoren auch ohne Strom; man spürt es als „Rasten“, wenn man die Welle von Hand dreht.

• Mit steigender Schrittfrequenz sinkt das Drehmoment. Bis zur Start-Stopp-Frequenz kann der Motor ohne Rampe anlaufen und anhalten; schneller geht es nur mit einer Beschleunigungsrampe.

• Ist die Last zu groß oder die Frequenz zu hoch, kann der Läufer dem Feld nicht folgen und verliert Schritte. Weil der Schrittmotor ohne Rückmeldung arbeitet, merkt die Steuerung das nicht. Deshalb fährt man nach dem Einschalten eine Referenzfahrt zu einem Endschalter und plant beim Moment eine Reserve ein (häufig Faktor 2).

Digitale Ansteuerung

Der Schrittmotor ist der typische Motor für eine Steuerung ohne Rückmeldung (offene Wirkungskette): Die Position ergibt sich allein aus der Zahl der Impulse. Ein Mikrocontroller oder eine SPS gibt dazu nur digitale Signale an einen Schrittmotortreiber:

• STEP (Takt): Jede steigende Flanke ist ein Schritt; die Frequenz bestimmt die Drehzahl.

• DIR (Richtung): 0 oder 1 legt die Drehrichtung fest.

• ENABLE: schaltet die Endstufe frei oder stromlos (dann bleibt nur das Selbsthaltemoment).

• Mit weiteren Eingängen wählst Du Vollschritt, Halbschritt oder Mikroschritt.

Der Treiber erzeugt daraus die Schrittfolge, polt die Wicklungsströme mit zwei H-Brücken um (bipolare Ansteuerung) und begrenzt den Strom. Wie das im Einzelnen funktioniert, zeigt der Artikel Motoransteuerung.

Schritt 5: Der Servomotor

Ein Servomotor ist kein eigener Motortyp, sondern eine Baueinheit aus Motor (Gleichstrom-, BLDC- oder Synchronmotor), meist einem Getriebe, einem Positionsgeber und einer Regelelektronik. Er arbeitet in einem geschlossenen Regelkreis: Der Geber misst die Istposition, die Elektronik vergleicht sie mit der Sollposition und steuert den Motor so lange nach, bis die Abweichung null ist. Auch wenn eine äußere Kraft die Welle verdreht, regelt der Servo zurück.

• Positionsgeber: Im einfachen Modellbau-Servo ist es ein Potenziometer auf der Abtriebswelle. Industrielle Servomotoren nutzen Inkrementalgeber (zählen Impulse je Umdrehung), Absolutwertgeber (kennen die Position auch nach dem Einschalten) oder Resolver.

• Ansteuerung im Modellbau: Die Sollposition kommt als Pulssignal mit 50\,\mathrm{Hz}: Eine Pulsdauer von 1{,}5\,\mathrm{ms} bedeutet Mittelstellung, 1\,\mathrm{ms} und 2\,\mathrm{ms} die beiden Endstellungen.

• Industrie: Ein Servoregler (Servoverstärker) bekommt Sollposition, Drehzahl oder Moment über einen Feldbus und regelt einen Synchron-Servomotor mit Geber.

• Vergleich mit dem Schrittmotor: Der Servo ist aufwendiger und teurer, verliert aber keine Schritte, meldet Fehler und liefert auch bei hoher Drehzahl volles Moment.

Servomotoren in englischen Datenblättern

Datenblätter und Handbücher für Servomotoren sind oft englisch. Diese Begriffe helfen beim Lesen:

Ein Beispielsatz: „The control circuit compares the position signal of the feedback potentiometer with the commanded position and drives the motor until the difference is zero.“ – Die Regelelektronik vergleicht das Positionssignal des Rückführ-Potenziometers mit der vorgegebenen Position und treibt den Motor an, bis die Differenz null ist.

Schritt 6: Der Drehstrom-Asynchronmotor

Der Drehstrom-Asynchronmotor mit Käfigläufer ist der häufigste Motor in der Industrie: robust, wartungsarm und billig. Drei um 120^\circ versetzte Ständerwicklungen am Drehstromnetz erzeugen ein Drehfeld (siehe Artikel Drehstrom). Es läuft mit der synchronen Drehzahl

n_\mathrm{s} = \frac{f}{p}

mit der Netzfrequenz f und der Polpaarzahl p. Bei 50\,\mathrm{Hz} und p = 2 sind das n_\mathrm{s} = 50\,\mathrm{s^{-1}} / 2 = 25\,\mathrm{s^{-1}} = 1500\,\mathrm{min^{-1}}.

Der Käfigläufer dreht etwas langsamer als das Drehfeld, denn nur dann schneiden die Feldlinien die Läuferstäbe und induzieren dort den Strom, der das Moment erzeugt. Daher kommt der Name asynchron. Den Unterschied beschreibt der Schlupf:

s = \frac{n_\mathrm{s} - n}{n_\mathrm{s}}

Ein Motor mit n = 1440\,\mathrm{min^{-1}} am Drehfeld mit 1500\,\mathrm{min^{-1}} hat s = 60 / 1500 = 0{,}04 = 4\,\%. Bei Nennlast sind 2 bis 6 % üblich. Steht der Läufer still, ist s = 1.

Typenschild (Leistungsschild): Es nennt Bemessungsspannung und Schaltung (z. B. „Δ/Y 230/400 V“), Bemessungsstrom für beide Schaltungen, die abgegebene mechanische Leistung P_\mathrm{ab}, den Leistungsfaktor \cos\varphi, die Bemessungsdrehzahl und die Frequenz. Die aufgenommene Leistung ist P_\mathrm{zu} = \sqrt{3} \cdot U \cdot I \cdot \cos\varphi, der Wirkungsgrad \eta = P_\mathrm{ab} / P_\mathrm{zu}.

Stern-Dreieck-Anlauf: Strom und Drehmoment

Beim direkten Einschalten zieht ein Asynchronmotor das Fünf- bis Achtfache seines Bemessungsstroms. Größere Motoren, deren Stränge für die Außenleiterspannung gebaut sind (am 400-V-Netz: Typenschild „Δ/Y 400/690 V“), laufen deshalb oft in Stern an und werden nach dem Hochlauf auf Dreieck umgeschaltet. Dabei ändern sich drei Größen:

• Strangspannung: In Stern liegt jeder Strang an U/\sqrt{3} \approx 230\,\mathrm{V} statt an 400\,\mathrm{V}.

• Netzstrom: Der Strangstrom sinkt mit der Spannung auf 1/\sqrt{3}. Im Dreieck ist der Leiterstrom \sqrt{3}-mal so groß wie der Strangstrom, in Stern gleich groß. Zusammen gilt I_\mathrm{Y} = I_\Delta / 3: Der Anlaufstrom aus dem Netz sinkt auf ein Drittel.

• Drehmoment: Das Drehmoment eines Asynchronmotors ist proportional zum Quadrat der Strangspannung, M \sim U^2. In Stern gilt deshalb M_\mathrm{Y} = (1/\sqrt{3})^2 \cdot M_\Delta = M_\Delta / 3 – bei jeder Drehzahl, also für Anlauf- und Kippmoment.

Das Bemessungsmoment berechnest Du aus abgegebener Leistung und Bemessungsdrehzahl (in \mathrm{s^{-1}}):

M_\mathrm{N} = \frac{P_\mathrm{N}}{2\pi \cdot n_\mathrm{N}}

Ein Motor mit 7{,}5\,\mathrm{kW} und 1455\,\mathrm{min^{-1}} = 24{,}25\,\mathrm{s^{-1}} hat M_\mathrm{N} = 7500\,\mathrm{W} / (2\pi \cdot 24{,}25\,\mathrm{s^{-1}}) \approx 49{,}2\,\mathrm{N \cdot m}. Beträgt sein Anlaufmoment in Dreieck das Zweifache, also etwa 98{,}4\,\mathrm{N \cdot m}, bleiben in Stern nur etwa 32{,}8\,\mathrm{N \cdot m} – das ist weniger als das Bemessungsmoment.

Die Kennlinien zeigen die Folgen:

• Anlauf nur ohne oder mit geringer Last: In Stern muss das Motormoment bei jeder Drehzahl über dem Lastmoment liegen, sonst bleibt der Motor stehen, brummt und wird heiß. Gut geeignet sind Lüfter und Kreiselpumpen, deren Lastmoment erst mit der Drehzahl wächst, sowie Maschinen, die im Leerlauf anlaufen (Kreissäge, Verdichter mit Anlaufentlastung). Ein voll beladenes Förderband, ein Hubwerk oder ein Rührwerk mit zähem Gut brauchen schon beim Anlauf viel Moment; dafür eignen sich Direktanlauf, Sanftanlauf oder ein Frequenzumrichter.

• Umschaltpunkt: Der Motor läuft in Stern hoch, bis Motor- und Lastmoment gleich groß sind (im Bild bei etwa 0{,}9 \cdot n_\mathrm{s}). Erst dann wird umgeschaltet. Die Drehzahl liegt dann nahe der Enddrehzahl, und der Sprung auf die Dreieck-Kennlinie bringt nur einen kurzen Strom- und Momentstoß. Schaltet das Zeitrelais zu früh um, fließt fast der Strom eines Direktanlaufs. Während der kurzen Umschaltpause ist der Motor stromlos und verliert etwas Drehzahl.

• Betrieb in Dreieck: Danach arbeitet der Motor auf der Dreieck-Kennlinie mit voller Leistung. Bliebe er in Stern, hätte er nur ein Drittel seines Kippmoments; schon beim Bemessungsmoment würde er kippen und stehen bleiben.

Wie Netz-, Stern- und Dreieckschütz mit Zeitrelais und Verriegelung verschaltet werden und worauf Du das Motorschutzrelais einstellst, zeigt der Artikel Schützsteuerungen; dort steht auch die Wendeschaltung (zwei Außenleiter tauschen = Drehrichtung umkehren). Sanftanlasser und Frequenzumrichter sind Stromrichter; ihren Aufbau beschreibt der Artikel Leistungselektronik.

Schritt 7: Den passenden Motor auswählen

Bei der Auswahl beginnst Du mit der Aufgabe: Soll der Antrieb eine Drehzahl halten oder eine Position anfahren? Muss er melden, wo er steht? Wie groß sind Moment, Drehzahl und Bauraum, welche Spannung steht zur Verfügung?

Für eine Positionieraufgabe ohne Rückmeldung ist der Schrittmotor die erste Wahl. Damit er sicher arbeitet, prüfst Du drei Dinge: Reicht das Moment bei der geplanten Schrittfrequenz mit Reserve? Ist die Auflösung (Schrittwinkel, ggf. Halbschritt oder Getriebe) fein genug? Gibt es einen Referenzpunkt, von dem aus gezählt wird? Wenn ein Schrittverlust gefährlich oder teuer wäre, ist ein Servomotor die bessere Wahl.

Schritt 8: Motorschutz

Ein Motor wird nicht nur durch einen Kurzschluss gefährdet, sondern vor allem durch Überlast: Zieht er dauerhaft mehr als seinen Bemessungsstrom, erwärmt sich die Wicklung, die Isolation altert schnell und schmilzt im schlimmsten Fall. Die Verlustleistung in der Wicklung wächst dabei mit dem Quadrat des Stroms (P_\mathrm{V} = I^2 \cdot R).

Der Motorschutzschalter

Ein Motorschutzschalter (Kennbuchstabe Q) vereint drei Funktionen in einem Gerät: Schalter, Überlastschutz und Kurzschlussschutz.

• Thermischer Auslöser (Überlast): In jedem Außenleiter sitzt ein Bimetall, das vom Motorstrom beheizt wird. Ein Bimetall besteht aus zwei fest verbundenen Metallen, die sich unterschiedlich stark ausdehnen; erwärmt biegt es sich. Ist der Strom längere Zeit zu groß, biegt es sich so weit, dass es das Schaltschloss entklinkt und alle drei Außenleiter abschaltet. Weil Erwärmen Zeit braucht, löst er stromabhängig verzögert aus: Kurze Stromspitzen (Anlauf) übersteht der Motor, eine dauerhafte Überlast nicht. Eine Differenzialauslösung erkennt zusätzlich den Ausfall eines Außenleiters.

• Magnetischer Auslöser (Kurzschluss): Eine Spule zieht bei sehr großem Strom (etwa dem 13-Fachen des Einstellstroms) sofort einen Anker an und schaltet in wenigen Millisekunden ab.

• Schalter: Der Motor kann von Hand ein- und ausgeschaltet werden; Hilfskontakte melden den Zustand an die Steuerung.

Die Auslösekennlinie zeigt, wie schnell der Schalter bei welchem Strom abschaltet:

Die Auslöseklasse gibt an, nach wie vielen Sekunden der Auslöser beim 7,2-Fachen des Einstellstroms spätestens abschaltet: Klasse 10 nach höchstens 10 s (für normalen Anlauf), Klasse 20 oder 30 für Motoren mit langem Hochlauf (schwere Lüfter, Zentrifugen).

Getrennte Lösung: Ein Motorschutzrelais (Kennbuchstabe F) hat nur den thermischen Auslöser; den Kurzschlussschutz übernimmt eine vorgeschaltete Sicherung, das Abschalten ein Schütz, das über den Hilfskontakt 95–96 abfällt. Zusätzlich können Kaltleiter (PTC) in der Wicklung eingebaut sein, die die Wicklungstemperatur direkt messen.

Einstellen auf den Bemessungsstrom

Der thermische Auslöser wird auf den Bemessungsstrom des Motors eingestellt, so wie er auf dem Typenschild für die tatsächlich verwendete Schaltung steht. Ein Motor mit „Δ/Y 230/400 V, 6,8/3,9 A“ liegt am 400-V-Netz in Stern; also stellst Du 3,9 A ein. Höher einstellen heißt, dass der Motor sich überhitzen kann, ohne dass der Schutz eingreift; niedriger führt zu Fehlauslösungen. Liegt ein Motorschutzrelais beim Stern-Dreieck-Anlauf in den Strangzuleitungen, wird es auf den Strangstrom eingestellt, also auf I_\mathrm{N} / \sqrt{3} \approx 0{,}58 \cdot I_\mathrm{N}.

Der blockierte Motor

Wird die Welle mechanisch blockiert (verklemmtes Fördergut, festgefressenes Lager, Fremdkörper), dreht der Läufer nicht mehr:

• Gleichstrommotor: Ohne Drehung fehlt die Gegenspannung U_\mathrm{q}; es fließt der Anlaufstrom I = U / R_\mathrm{A}, also ein Vielfaches des Bemessungsstroms.

• Asynchronmotor: Der Schlupf ist s = 1, der Motor zieht dauerhaft seinen Anlaufstrom von etwa dem 5- bis 8-Fachen des Bemessungsstroms; die abgegebene Leistung ist null, die gesamte aufgenommene Wirkleistung wird zu Wärme.

Weil die Wicklungsverluste mit dem Quadrat des Stroms steigen, ist die Erwärmung enorm: Bei sechsfachem Strom ist die Verlustleistung in der Wicklung 6^2 = 36-mal so groß wie im Bemessungsbetrieb. Ein Motor mit 4\,\mathrm{A} Bemessungsstrom zieht blockiert etwa 24\,\mathrm{A}. Der Motorschutzschalter reagiert darauf mit dem thermischen Auslöser: Der Strom liegt im steilen Teil der Kennlinie, das Bimetall schaltet nach einigen Sekunden ab (Klasse 10: höchstens 10 s), bevor die Wicklung Schaden nimmt. Der magnetische Auslöser spricht beim blockierten Motor nicht an, denn der Strom liegt unter seiner Ansprechschwelle.

Die Wiedereinschaltsperre

Hat der thermische Auslöser angesprochen, lässt sich der Motorschutzschalter nicht sofort wieder einschalten. Das Bimetall muss erst abkühlen und in seine Ausgangslage zurückgehen, bevor das Schaltschloss wieder einklinkt. Das dauert je nach Gerät einige Sekunden bis Minuten. Die Sperre hat zwei Gründe:

• Auch die Motorwicklung ist noch heiß. Würde der Motor sofort wieder anlaufen (und vielleicht wieder blockieren), würde er sich weiter aufheizen.

• Die Ursache soll erst gefunden und beseitigt werden. Nach dem Abkühlen wird von Hand wieder eingeschaltet; der Motor läuft also nicht selbstständig wieder an. Motorschutzrelais lassen sich oft zwischen Hand- und automatischer Rückstellung umstellen; bei automatischer Rückstellung muss die Steuerung einen selbsttätigen Wiederanlauf verhindern.

Schritt 9: Vorbeugende Instandhaltung und Vibrationsmessung

Motoren fallen selten ohne Vorwarnung aus. Die häufigsten mechanischen Schäden – Lagerschäden und Unwucht – kündigen sich über Wochen durch zunehmende Schwingungen (Vibrationen) an. Die Vibrationsmessung ist deshalb ein wichtiges Inspektionsverfahren der zustandsorientierten Instandhaltung:

• Messen: Ein Schwingungsaufnehmer (Beschleunigungssensor) wird an festen Messpunkten am Lagerschild aufgesetzt, in waagerechter, senkrechter und axialer Richtung. Gemessen wird meist die Schwinggeschwindigkeit in mm/s.

• Beurteilen: Der Messwert wird mit Grenzwerten verglichen; die Normenreihe DIN ISO 10816 bzw. ihre Nachfolgerin DIN ISO 20816 teilt ihn in Zonen von „gut“ bis „unzulässig“ ein. Wichtiger als ein einzelner Wert ist der Trend: Steigt der Wert von Messung zu Messung, bahnt sich ein Schaden an.

• Ursache erkennen: Eine Frequenzanalyse zeigt, woher die Schwingung kommt. Eine Unwucht schwingt mit der Drehfrequenz, ein Lagerschaden erzeugt höherfrequente Anteile und Stöße (typische Lagerfrequenzen), eine schlechte Ausrichtung zur Arbeitsmaschine zeigt sich besonders in axialer Richtung.

• Handeln: Lager tauschen, Läufer oder Lüfterrad auswuchten, Kupplung ausrichten – geplant im nächsten Stillstand statt nach einem Ausfall.

Weitere Hinweise zur vorbeugenden Instandhaltung von Elektromotoren:

• Lüftungswege und Kühlrippen sauber halten; ein verschmutzter Motor wird heiß.

• Lager nach Herstellerangabe nachschmieren; auf Laufgeräusche achten.

• Stromaufnahme messen und mit dem Bemessungsstrom vergleichen; eine steigende Stromaufnahme deutet auf mechanische Schwergängigkeit hin.

• Wicklungs- und Lagertemperatur prüfen (Thermografie).

• Isolationswiderstand der Wicklung gegen das Gehäuse messen.

• Anschlüsse auf festen Sitz und Verfärbungen prüfen; bei Gleichstrommotoren Bürsten und Kommutator kontrollieren.

• Einstellung des Motorschutzschalters mit dem Typenschild vergleichen.

Leitfragen

1. Woran erkennst Du in einer Prinzipdarstellung einen Gleichstrommotor mit Bürsten, einen BLDC-Motor und einen Schrittmotor? Antwort

Gleichstrommotor: Magnete im Ständer, Wicklung auf dem Läufer, Kommutator mit Bürsten, zwei Anschlüsse. BLDC-Motor: Magnet im Läufer, drei Ständerwicklungen (U, V, W), meist Hall-Sensoren. Schrittmotor: Magnet- oder Zahnläufer, meist zwei Phasen, die nacheinander bestromt werden. siehe Abschnitt „Schritt 2: Der Gleichstrommotor“, Abschnitt „Schritt 3: Der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC)“ und Abschnitt „Schritt 4: Der Schrittmotor“

2. Wie viele Schritte braucht ein Schrittmotor mit 1,8° Schrittwinkel für eine halbe Umdrehung, und wie schnell dreht er bei 400 Hz Schrittfrequenz? Antwort

z = 360^\circ / 1{,}8^\circ = 200 Schritte je Umdrehung, für 180^\circ also N = 100 Schritte. n = f_\mathrm{S} / z = 400\,\mathrm{s^{-1}} / 200 = 2\,\mathrm{s^{-1}} = 120\,\mathrm{min^{-1}}. siehe Abschnitt „Schritt 4: Der Schrittmotor“

3. Was ist das Haltemoment eines Schrittmotors, und warum verliert ein Schrittmotor unbemerkt Schritte? Antwort

Das Haltemoment ist das größte Moment, mit dem der bestromte, stillstehende Motor seine Position hält. Bei zu großer Last oder zu hoher Schrittfrequenz folgt der Läufer dem Feld nicht mehr; weil der Schrittmotor ohne Rückmeldung arbeitet, merkt die Steuerung das nicht. siehe Abschnitt „Schritt 4: Der Schrittmotor“

4. Wie ist ein Servomotor aufgebaut, und was unterscheidet ihn vom Schrittmotor? Antwort

Motor, Getriebe, Positionsgeber (Potenziometer, Encoder) und Regelelektronik bilden einen Regelkreis: Die Istposition wird mit der Sollposition verglichen und nachgeregelt. Der Schrittmotor arbeitet dagegen gesteuert ohne Rückmeldung. siehe Abschnitt „Schritt 5: Der Servomotor“

5. Welchen Motor wählst Du für eine präzise Positionieraufgabe ohne Rückmeldung, und worauf achtest Du dabei? Antwort

Einen Schrittmotor. Das Moment muss bei der geplanten Schrittfrequenz mit Reserve reichen, die Auflösung muss fein genug sein, und eine Referenzfahrt legt den Nullpunkt fest. siehe Abschnitt „Schritt 7: Den passenden Motor auswählen“

6. Warum sinken beim Stern-Dreieck-Anlauf Anlaufstrom und Anlaufmoment auf ein Drittel, und was folgt daraus für Last und Umschaltzeitpunkt? Antwort

In Stern liegt jeder Strang an 1/\sqrt{3} der Spannung; der Strangstrom sinkt auf 1/\sqrt{3}, und weil in Stern Leiter- und Strangstrom gleich sind, sinkt der Netzstrom auf 1/3. Das Moment ist proportional zu U^2 und sinkt ebenfalls auf 1/3. Deshalb darf der Motor nur ohne oder mit geringer Last anlaufen, und umgeschaltet wird erst nahe der Enddrehzahl, wenn Motor- und Lastmoment gleich sind. siehe Abschnitt „Stern-Dreieck-Anlauf: Strom und Drehmoment“

7. Wie schützt der thermische Auslöser eines Motorschutzschalters, und was passiert bei einem blockierten Motor? Antwort

Ein vom Motorstrom beheiztes Bimetall biegt sich bei Überlast und schaltet stromabhängig verzögert ab. Ein blockierter Motor zieht etwa das 5- bis 8-Fache des Bemessungsstroms (keine Gegenspannung bzw. Schlupf 1), die Wicklungsverluste steigen quadratisch; der thermische Auslöser schaltet nach einigen Sekunden ab. siehe Abschnitt „Schritt 8: Motorschutz“

8. Wozu dient die Wiedereinschaltsperre, und auf welchen Wert stellst Du einen Motorschutzschalter ein? Antwort

Nach dem Auslösen muss das Bimetall abkühlen, bevor wieder eingeschaltet werden kann; so kühlt auch die Wicklung ab, und die Ursache wird zuerst beseitigt. Eingestellt wird der Bemessungsstrom des Typenschilds für die tatsächlich verwendete Schaltung. siehe Abschnitt „Schritt 8: Motorschutz“

9. Wie hilft die Vibrationsmessung bei der Instandhaltung von Elektromotoren? Antwort

Lagerschäden und Unwucht erzeugen zunehmende Schwingungen. Regelmäßige Messung der Schwinggeschwindigkeit an festen Messpunkten zeigt im Trend und im Vergleich mit Grenzwerten, wann ein Schaden entsteht; die Frequenzanalyse zeigt die Ursache. So lässt sich die Reparatur planen, bevor der Motor ausfällt. siehe Abschnitt „Schritt 9: Vorbeugende Instandhaltung und Vibrationsmessung“

Links und weitere Informationen

• zum Üben: Übungsaufgaben zu Elektromotoren

• zum Drehfeld und zur Stern-Dreieck-Schaltung: Drehstrom

• zu H-Brücke, Treiber-ICs, PWM und Schrittmotortreiber: Motoransteuerung

• zur Wendeschaltung und zur Stern-Dreieck-Schaltung mit Schützen: Schützsteuerungen

• zu Sanftanlasser und Frequenzumrichter: Leistungselektronik

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Schrittmotor

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Motorschutzschalter

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Bürstenloser Gleichstrommotor

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Hinweis zur Nachnutzung als Open Educational Resource (OER)

Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Elektromotoren: Gleichstrom-, Schritt-, Drehstrom- und Servomotoren” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/motoren veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/steuerungstechnik. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 13.11.2026.

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