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Elektromotoren erklärt: Funktionsweise und neue Konzepte
29. Juni 2022
Elektromobilität

Elektromotoren erklärt: Funktionsweise und neue Konzepte

Egal wie man zur Elektromobilität steht, Autos mit Verbrennungsmotoren steht eine unsichere Zukunft bevor. Die EU plant ab 2035, den lokalen CO2-Ausstoß von Autos auf null Gramm pro Kilometer zu reduzieren. Viele Hersteller kündigten deshalb bereits den Abschied von Diesel- oder Benzinmotoren bereits an. Wir konzentrieren uns deshalb hier auf die Zukunft. Auf Elektromotoren und deren technischen Unterschiede.

Was Elektromotoren ausmacht

Für viele Kunden ist aktuell nur wichtig, wo Elektromotoren im Auto eingebaut sind. Anders als bei Verbrennern gibt es aufgrund der viel kleineren Bauart viele Möglichkeiten. Zum Beispiel an der Vorder- oder Hinterachse, was mittlerweile deutlich seltener angeboten wird als Radnabenmotoren nahe der Felge. Die Stärken oder Schwächen unterschiedlicher E-Motoren an sich, werden aber nur selten beachtet, weil der Fokus auf Akku-Kapazität und Ladeleistung liegt.

Vielleicht werden E-Motoren nicht die Vielfalt von Verbrennern erreichen – mit unterschiedlichsten Zylinderzahlen, Turbos, Kompressoren, Getriebearten, usw. – aber auch bei E-Motoren gibt es erhebliche Unterschiede! Machen wir also eine Bestandsaufnahme: Wir klären, was den E-Motor im Auto von jenem in der elektrischen Zahnbürste unterscheidet, stellen aktuell erhältliche Bautypen vor und zeigen, wo ihre wesentlichen Unterschiede liegen. Das Rennen um das beste Konzept ist grade erst eröffnet.

Funktionsweise eines E-Motors im Auto: Von Rotor, Stator, Gleich- und Wechselstrom

Der Rotor eines Elektromotors von BMW. (Bild: BMW)

Grundsätzlich besteht ein Elektromotor aus zwei Baugruppen: Dem unbeweglichen Teil namens Stator und dem beweglichen Part, der Rotor genannt wird. Um einen Vergleich mit der Vergangenheit zu bemühen: Der Stator ist so etwas wie der Motorblock eines Elektromotors. In diesem Bild wäre der Rotor die Kurbelwelle.

Ziel eines Elektromotors ist es also, dass sich der Rotor dreht. Die Grundlage für diese Bewegung bildet der Magnetismus. In Rotor und Stator sind jeweils Spulen integriert. Fügt man Strom hinzu, entstehen Magnetfelder, die sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Wenn diese Kraft auf den Rotor wirkt – physikalisch korrekt gesagt „induziert“ wird – bewegt er sich. Aber nur ein kleines bisschen. Diese Anstoß-Bewegung ist die Grundlage eines jeden Elektromotors. Wie genau es weitergeht, unterscheidet die verschiedenen Arten voneinander.

Gleichstrom-Elektromotor

Ein Gleichstrom-Motor polt sein Magnetfeld ständig um. Der Bereich der eben noch den Rotor angezogen hat, stößt ihn bei der nächsten Drehung ab. So rotiert der Rotor immer weiter. Damit der Motor weiß, wann er die Polung seines Magnetfeldes ändern muss, baut man einen sogenannten Kommutator ein, der die Verhandlung zwischen den Polen übernimmt. Dabei handelt es sich um einen unterbrochenen Schleifring, der an bestimmten Positionen den Wechsel veranlasst.

Im Begriff „Schleifring“ steckt bereits ein wesentlicher Nachteil des Konzepts. Schleifen bedeutet: dauerhafter Kontakt. Das wiederum bedeutet Verschleiß und eine geringere Effizienz bei fortgeschrittener Lebensdauer.

Wer Gleichstrom mit E-Mobilität assoziiert liegt richtig, aber dabei ist normalerweise stets vom Akku die Rede. Der Motor selbst läuft im E-Auto mit Wechselstrom. Je nach Motorkonzept wären aber viele weitere Kombinationen möglich: Ein Wechselstrom-Motor, der mit Gleichstrom läuft zum Beispiel, wie wir gleich sehen werden.

Wechselstrom-Elektromotoren

Eine Audi-Mitarbeiterin verschlaucht Spulenausführungen für die Elektromotoren (Bild: Audi)

Bei Wechselstrom-Motoren funktioniert die Drehung des Magnetfeldes kontaktfrei, eben über die Wechselspannung selbst. Konkret sind es drei Phasen, die den beweglichen Teil des E-Motors rotieren lassen. Der Stator enthält dementsprechend drei versetzte Spulen, die das Magnetfeld „weiterwandern“ lassen. Diese Spulen werden um je 120 Grad versetzt angeordnet. Mit drei Spulen ergibt das 360 Grad und damit die erwünschte fortlaufende Drehbewegung.

Neben dem geringeren Verschleiß existieren weitere Vorteile, die insbesondere beim Einsatz im Auto zünden: Wechselstrommotoren arbeiten effizienter und weisen eine höhere Leistungsdichte auf – also mehr Output bei weniger Platzbedarf. Ein wichtiges Argument, weil neben der Antriebseinheit noch Platz für Passagiere, Fahrwerkskomponenten und Gepäck bleiben soll.

Bei allen Vorteilen bleiben auch einige Schwierigkeiten: Da aus dem Akku nun mal Gleichstrom fließt, kann er den Wechselstrom-Motor nicht direkt bespeisen. Der Antriebsstrang braucht erst einen Wechselrichter, bzw. Inverter, um den Strom zu konvertieren. Er wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um und ist mitentscheidend für die letztendliche Leistungsabgabe (kW- oder PS-Zahl) des Elektromotors.

Wer Kinder hat oder (verständlicherweise) selbst gerne mit ferngesteuerten Autos spielt, kennt den Wechselstrommotor vielleicht unter der Bezeichnung „Brushless-Motor“, was auf die Abwesenheit der Bürsten (Brushes) beziehungsweise Schleifringe verweist. Im ausgewachsenen Auto muss man mit dieser Bezeichnung allerdings vorsichtig sein, denn einige Hersteller experimentieren mit Wechselstrom-Elektromotoren, bei denen sehr wohl eine Art Bürste zum Einsatz kommt. Doch dazu später mehr.

Der Begriff „Wechselstrommotor“ selbst findet sich selten in den Datenblättern moderner E-Fahrzeuge. Denn die meisten Hersteller werden direkt konkreter und nennen bestimmte Details der Aufbauweise. Bezeichnungen wie Synchronmotor und Asynchronmotor, Fremd- oder Permanenterregt liest man dann. Im Folgenden klären wir die Unterschiede.

E-Auto: Synchron- und Asynchronmotoren im Vergleich

Beweglicher Rotor, unbeweglicher Stator und ein Magnetfeld aus drei Spulen – in dieser Hinsicht arbeiten Synchron- und Asynchronmotoren gleich. Was sie unterscheidet ist, ob der Rotor exakt mit dem Magnetfeld der Spule mitläuft oder diesem minimal hinterherhinkt.

Asynchron-Elektromotor

Querschnitt des Frontantriebs eines VW ID.5 GTX: ein asynchroner Elektromotor. (Bild: VW)

Bei Asynchron-Motoren beträgt der „Rückstand“, sprich der Drehzahlunterschied zwischen Rotor und Stator, rund acht Prozent. Im Vergleich zu Synchronmotoren mit ähnlicher Leistung beanspruchen Asynchron-Maschinen rund 30 Prozent mehr Platz im Fahrzeug, wiegen etwas mehr und weisen die schlechtere Energie-Effizienz auf. Also ein theoretisch-mögliches Konzept ohne Nutzung in der realen Welt? Nein, Asynchron-Elektromotoren finden sich in verschiedenen Modellen von Audi bis Tesla.

Das liegt vor allem an einem entscheidenden technischen Vorteil: Der Asynchronmotor kann ohne jedweden Widerstand mitlaufen, sobald die Stromzufuhr endet. Das ist zum einen von Vorteil, wenn das Elektroauto abgeschleppt werden muss. Zum anderen eignen sich asynchron laufende Motoren für elektrische Allradfahrzeuge: Häufig gibt es einen E-Motor je Achse, wobei einer nur mitläuft und erst bei Bedarf antreibt. Würde der E-Motor im „Bereitschaftsdienst“ ständig Widerstand erzeugen, stiege der Energieverbrauch erheblich.

Synchron-Elektromotor

Heckantrieb des VW ID.5: eine permanent erregte Synchronmaschine. (Bild: VW)

Im Synchron-Motor existiert dieser Drehzahlunterschied nicht. Mit Vor- und Nachteilen verhält es sich genau umgekehrt zu denen des Asynchron-Motors. In der Detailbetrachtung zur Effizienz sind Synchronmotoren den Asynchronmaschinen vor Allem im Teillastbereich überlegen. Also immer dann, wenn der Fahrer den rechten Fuß nicht ganz Richtung Bodenblech durchdrückt.

Als zuschaltbare „Hang-On“-Antriebskomponente, also in der Rolle eines Asynchron-Motors beim Allradfahrzeug, eignen sich Synchronmaschinen nur unter bestimmten Voraussetzungen. Zum Beispiel, wenn der Hersteller eine Kupplung zwischen Eingang-Getriebe und E-Motor verbaut. Dann erübrigt sich das Problem des Widerstands (größtenteils) – zum Preis eines zusätzlichen Bauteils im Antriebsstrang. Aktuell nutzt das Kia. Alternative technische Lösungen existieren aber auch. Und hängen maßgeblich von der Frage ab, ob es sich um permanenterregte oder stromerregte Synchron-Motoren handelt.

Permanenterregte und stromerregte E-Motoren im Auto

Querschnitt eines elektrisch erregten Synchronmotors von BMW. Mit der fünften Generation von Elektromotoren stellten die Münchner ihre Elektromotoren um. (Bild: BMW)

Es geht nicht anders, schon wieder Fachbergriffe: Permanenter Magnetismus? Ist das ein Magnetfeld auf Bestellung? Diese Frage stellt sich im Auto nur beim Synchronmotor, denn nur in dieser Variante kommen die namensgebenden Permanentmagnete im Rotor zum Einsatz. Das sind Magnete, die auch ohne Strom magnetisch anziehend wirken. Diese Lösung läuft im Datenblatt unter “permanenterregter Synchronmotor” – und findet sich bei fast allen Herstellern. Generell sind solche Motoren verschleißarm und effizient. Die zuvor erwähnten Vor- und Nachteile von Synchronmotoren im Allgemeinen beziehen sich auf diese Version.

Hinzu kommt aber auch ökologisch-moralisches Problem. Zur Herstellung der im Rotor genutzten Magnete benötigen die Autobauer seltene Erden. Es sind also nicht nur technische, sondern auch gesellschaftlich-politische Impulse, die Hersteller zur Suche nach Alternativen bewegt. Eine Lösung heißt: stromerregte Synchronmaschine.

Hier entsteht das Magnetfeld erst wenn Strom in den Rotor gespeist wird. Die Permanentmagnete entfallen und der Widerstand kann im Rollbetrieb bei Bedarf (beim Lastenschleppen oder bei Hang-On-Allrad) minimiert werden. Dafür muss lediglich die Spannung reduziert werden. Somit sind stromerregte Synchronmaschinen eine Art Hybrid aus Gleich- und Wechselstrommotor.

Einerseits weil der Rotor des Elektromotors in diesem Fall mit Gleichstrom versorgt wird – die Magnetfelder im Stator entstehen dagegen mit Wechselstrom und den beschriebenen drei „Phasen“, bzw. Spulen. Außerdem kehren mit diesem Konzept die Schleifringe oder Bürsten zurück in die Aggregate. Und mit ihnen das klassische Problem der Verschleiß-Reibung.

Unter den großen Herstellern setzt aktuell vor allem BMW auf dieses Konzept. Laut eigenen Angaben seien die Aggregate auf eine Laufleistung von 8.000 Betriebsstunden oder rund 300.000 Kilometer ausgelegt. Danach könne man, falls notwendig, die Bürsten relativ einfach ersetzen.

Fazit

Der Überblick zum Status Quo technischer Lösungen für Elektromotoren zeigt: Die Vielfalt ist viel größer als gedacht. Wie beim klassischen Verbrenner werden verschiedene Hersteller unterschiedliche Wege wählen und zukünftig auch in ihrer Werbe-Kommunikation für sich beanspruchen.

Den Antriebs-Einheitsbrei wird es im Elektro-Segment damit ebenso wenig geben wie bei Benzin- und Dieselaggregaten. Vor allem, weil die Anzahl technischer Konzepte stetig zunimmt. Erste Hersteller und Zulieferer arbeiten am stromerregten Synchronmotor ohne Bürsten, andere fokussieren sich auf faire Abbaubedingungen der seltenen Erden.

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Titelbild: Audi

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