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Elektromotoren im Automobilbau

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Das grundlegende Prinzip eines Elektromotors ist einfach erklärt: Er wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Die Grundlage für den Motor bildet das Phänomen Magnetismus. Das Grundprinzip bildet die Anziehung unterschiedlicher Pole und die Abstoßung gleicher Pole. Mit Strom lässt sich ein nicht magnetisch geladenes Teilchen magnetisieren. Ebenso lässt sie Polarität manipulieren, je nachdem in welche Richtung der Strom fließt. Im einfach aufgebauten Elektromotor gibt es grundsätzlich einen festen magnetischen Teil, der als Stator bezeichnet wird. Der bewegliche Teil wird Rotor benannt. Wir werfen einen Blick auf die wichtigsten Bauarten im Automobilbau.

Gleichstrommotoren

Der Gleichstrommotor ist die einfachste Art des Elektromotors. Er besteht aus einem beweglichen Rotor, welcher mit einem Kupferdraht umwickelt ist. Wird an diese Spule eine elektrische Gleichstromquelle angeschlossen, entsteht ein magnetisches Feld. An einem feststehenden Stator sind Permanentmagnete befestigt, welche den Rotor mit einem dauerhaften magnetischen Feld umschließen. Das Magnetfeld des sogenannten Stators kann anstelle von Permanentmagneten auch mittels Erregerspulen elektrisch erzeugt werden. Durch Abstoßung und Anziehung der verschieden geladenen Pole beginnt der Motor, sich nach dem Anschließen einer Gleichstromquelle im Magnetfeld des Permanentmagneten zu drehen.

Der Strom wird über Bürsten in die Spulen geleitet und durch einen Kommutator (Stromwender) umgepolt, da die Bürsten kurzzeitig über einen kleinen nicht stromversorgten Bereich laufen. Durch die Ladungsumkehr kehrt sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld um, sodass der Rotor sich wieder im Magnetfeld des Stators ausrichtet. Gleichstrommaschinen haben eine relativ schlechte Wärmeabfuhr, besitzen den Nachteil, dass die Bürsten nach einem bestimmten Zeitraum ausgetauscht werden müssen und werden daher kaum noch in Elektroautos genutzt. Zudem sind die Drehzahlen bei Gleichstrommotoren aufgrund ihrer Technik auf etwa 7.000 Umdrehungen pro Minute begrenzt. Im Drehzahlbereich ist der Asynchronmotor der Gleichstrommaschine überlegen – er kann Drehzahlen von bis zu 14.000 Umdrehungen pro Minute erreichen.

Asynchronmaschine (ASM)

Ein Asynchronmotor nutzt Dreiphasenwechselstrom, auch als Drehstrom bezeichnet. Bei Elektrofahrzeugen muss dieser Drehstrom erst erzeugt werden, da ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung steht.

Der Stator eines Asynchronmotors wird mit drei räumlich um 120° versetzten Spulen umwickelt, welche von drei jeweils um 120° phasenverschobenen Strömen durchflossen werden.
Im Stator einer Asynchronmaschine wird ein rotierendes Magnetfeld verwendet, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Der Name des Motors liegt an der Umfangsgeschwindigkeit des Läufers – sie ist immer etwas kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfeldes. Der Asynchronmotor wird auch als Induktionsmotor bezeichnet, da die induzierte Spannung in den Läuferwicklungen einen großen Teil zur Funktion des Motors beiträgt.
Die Anschaffungskosten für Asynchronmotoren sind relativ gering, sie sind zudem sehr robust und benötigen keine Schleifringe; sie weisen aber einen relativ schlechten Leistungsfaktor und eine niedrige Effizienz auf.

Einer der wenigen Automobilhersteller, der auf eine Drehstrom-Asynchronmaschine als Antrieb setzt, ist Tesla. Das Model S wird in der „Dual Motor Model S“-Variante sogar mit zwei solcher Motoren ausgestattet: einer an der Hinterachse, der andere treibt die Räder der Vorderachse an.

Renault Elektromotor - Copyright Renault
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Synchronmotoren

Bei Synchronmotoren wird zwischen zwei Arten unterschieden: den fremderregten Synchronmaschinen und den permanentmagneterregten Synchronmaschinen.

Permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM)

PSM – auch bürstenloser Gleichstrommotor genannt – haben einen ähnlichen Aufbau wie fremderregte Gleichstrommaschinen. Sie besitzen kein induziertes Läuferfeld, sondern werden mit Permanentmagneten am Läufer versehen. Der Läufer dreht sich beim permanentmagneterregten Motor synchron zum Drehfeld – daher der Name des Motors. Auf dem Stator sind wie bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor Spulen angebracht. Die Spulen sind räumlich um 120° versetzt. Durch den jeweils um 120° phasenverschobenen Strom, der die einzelnen Spulen durchfließt, dienen sie so zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes – ähnlich wie in einem Induktionsmotor. Der Synchronmotor hat einen guten Wirkungsgrad, große Leistungsdichten und sehr hohe mögliche Drehzahlen, was ihn zu einem beliebten Motor in der Elektromobilindustrie macht. Durch den Einsatz der Permanentmagneten, welche verhältnismäßig viel Seltene Erden benötigen, hat er jedoch den Nachteil der hohen Werkstoffpreise.

Fremderregte Synchronmaschine (FSM)

FSM wurden im früheren Kfz-Bereich überwiegend als Lichtmaschinen eingesetzt – mittlerweile sind sie aber auch als Antrieb im Elektro- oder Hybridfahrzeug zu finden. Drei räumlich um 120° versetzte Statorspulen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, da sie von drei jeweils um 120° phasenverschobenen Strömen durchflossen werden. Im Gegensatz zu einem PSM ist auf dem Rotor ein Elektromagnet angebracht, welcher über Schleifringe oder kontaktlos über Induktion mit Energie versorgt wird. Laufen der Rotor und das Magnetfeld des Stators synchron, wird ein Drehmoment gebildet. Die FSM zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad aus, eine gute Leistungsdichte und vor allem niedrigere Kosten als die PSM, da keine teuren Werkstoffe wie Permanentmagneten benötigt werden.

Reluktanzmotor

Der Reluktanzmotor ist ein relativ neuer Motor, für den keinerlei Permanentmagneten benötigt werden. Er hat einen relativ einfachen Aufbau. Der Rotor des Reluktanzmotors besteht aus einem weichmagnetischen Material. Er ist durch speziell geformte Konturen so aufgebaut, dass der magnetische Fluss gezielt geführt oder gesperrt werden kann. Der Ständer (Stator) ist mit Spulen gestückt; durch das abwechselnde An- und Ausschalten dieser Spulen entsteht der nötige Drehstrom. Der Rotor wird durch die paarweise in Strängen zusammengefassten Wicklungen, welche sich im Ständer gegenüberliegen, in Drehung gebracht und bewegt. Der Wirkungsgrad eines Reluktanzmotors ist höher als bei Asynchronmotoren, da sie keine Stromwärmeverluste aufweisen.
Besonders im Bereich der Elektromobilität könnten Reluktanzmotoren echte Chancen haben, denn die Motoren sind kompakt und benötigen keine Seltenen Erden.

Welche Elektromotoren kommen im Auto zum Einsatz?

Es gibt verschiedene Konzepte, die für den Antrieb eines Elektroautos in Frage kommen, zum Beispiel umrichtergeführte Synchron- und Asynchronmotoren, aber auch Gleichstrommotoren. Der BMW i3 zum Beispiel hat einen 170 PS starken Hybrid-Synchronmotor im Heck. Im e-Golf von VW tut eine 115 PS starke permanentmagneterregte Synchronmaschine Ihren Dienst. Der Kleinwagen Renault Zoe hat einen fremderregten Drehstrom-Synchronmotor mit 110 PS Maximalleistung.

Verweis: Geschichte des Elektromotors im Automobilbau

Addendum

Artikel aus dem green car magazine.

Titelbild: Sinnbild Eleektromotor – Copyright pgottschalk @ Adobe Stock

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