Effizient und leise: der Elektromotor

Namensgebend für das Elektroauto ist sein Motor. Grund genug also, auch den einmal genauer unter die Lupe zu nehmen. Die erste Besonderheit: Der Elektromotor ist deutlich älter als man meinen könnte: bereits 1837 wurde er patentiert und fand auch recht schnell in den ersten Automobilen Anwendung. Die ersten Elektroautos setzten sich allerdings nicht durch und verschwanden bald wieder vom Markt. Grund hierfür war nicht zuletzt die viel zu geringe Energiedichte ihrer verbauten Stromspeicher – weit entfernt von den Speichereigenschaften einer modernen Lithium-Ionen-Batterie.

Die ersten Elektromotoren zogen im Wettbewerb der Aggregate also den Kürzeren und fristen seither ein Nischendasein. Mit der nun um sich greifenden Elektromobilitätswelle ändert sich das allerdings. Was aber macht Branchenexperten jetzt so sicher, dass die knapp 200 Jahre alte Antriebsform nun endlich den Durchbruch schafft? Ein Wort: Effizienz.

Vorteile von Elektromotoren

Effizient
Bis zu 95% Wirkungsgrad sind mit einem Elektroantrieb möglich. Damit bewegt er sich in puncto Effizienz in einer ganz anderen Dimension als der klassische Verbrenner es je könnte. Letzterer kommt, wenn man beide Augen zudrückt, auf einen Wirkungsgrad von 40%, im Fahr-Alltag kann die Effizienz aber auch gerne mal unter 20% liegen.

Wartungsarm
Neben der höheren Effizienz haben Elektromotoren aber auch einen ganz pragmatischen Vorteil, sie kommen nämlich mit deutlich weniger Bauteilen aus. Die sich daraus ergebende Rechnung ist einfach: Weniger Bauteile bedeutet schlicht und ergreifend, dass weniger teure Technik angeschafft werden muss und umgekehrt auch weniger davon kaputt gehen kann – was es nicht gibt, geht schließlich auch nicht kaputt. Das schließt freilich auch den gefürchteten Verschleiß mit ein. Eine Rechnung, die vor allem Werkstätten, die teils 50% ihres Gewinns mit Motorenöl machen, nicht gefallen dürfte.

Und dann wären noch die offensichtlichen Vorteile: Der Elektromotor ist leise und frei von Vibrationen. Das macht ihn übrigens auch im ÖPNV enorm beliebt.

Hohes Drehmoment – von Anfang an
Ein weiterer Vorteil von Elektromotoren ist, dass sie in einem deutlich breiteren Drehzahlbereich betrieben werden können, als Verbrennungsmotoren. Schon beim Anfahren liegt das maximale Drehmoment bereits an, was den positiven Nebeneffekt hat, dass man auf Kupplung und Schaltgetriebe beim Elektroauto verzichten kann. Bei den meisten Stromern kommt in der Regel ein Getriebe mit fester Übersetzung zum Einsatz. Ein Getriebe mit nur einem Gang also. Einen seperaten Rückwärtsgang, wie er beim Verbrenner Usus ist, brauchen Elektroautos in der Regel nicht, da ein Elektromotor ganz einfach in beide Richtungen laufen kann.

Arten von Elektromotoren

Synchronmotoren

Es gibt zwei Formen von Synchronmotoren. Zum einen sogenannte permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) sowie elektrisch erregte Synchronmaschinen (ESM). PSM-Motoren sind die Klassiker unter den Elektromotoren. Man findet sie in vielen unterschiedlichen E-Fahrzeugen, vom Porsche bis zum BMW. Was sie so beliebt macht, ist der gelungene Mix aus kompakter Bauform, hohem Wirkungsgrad und großer Leistungsdichte. Zudem verfügt er über eine Leistungsabgabe, die über den gesamten Drehzahlbereich hinweg konstant bleibt. Allerdings gilt auch beim permanent erregten Synchronmotor: Wo Licht ist, ist auch Schatten. 

Dunkel wird’s vor allem bei der CO2-Bilanz denn hier kommen vorrangig seltene Erden zum Einsatz, deren Abbau (zurecht) umstritten ist.

ESM-Motoren Lösen das Problem der seltenen Erden, indem statt einem Permanentmagnet aus Neodym ein Elektromagnet zu Einsatz kommt. Der ist zwar unhandlicher, da nun der sich drehende Läufer eine Spule und eine Stromversorgung benötigt, aber auch effizienter, da die magnetischen Felder an unterschiedliche Drehzahlen angepasst werden können.

 

Asynchronmotoren

 

 

Asynchronmotoren funktionieren, wie der Name bereits vermuten lässt, gänzlich anders als ihre synchronen Pendants. Hier laufen die sich drehenden Magnetfelder (Stator und Rotor) eben nicht synchron – sondern asynchron. Dies liegt daran, dass der Rotor kein Magnet sondern ein Kurzschlussläufer, also ein Metallkäfig, ist. Wenn nun die rotierenden Magnetfelder auf diesen Käfig einwirken wird darin ein Strom und somit ein gegengerichtetes Magnetfeld induziert. Da diese Felder nicht ganz so stark sind wie bei einem Permanentmagneten und zudem etwas zeitversetzt auftreten läuft der Käfig etwas langsamer (asynchron) als das antreibende äußere Magnetfeld des Stators.

Die Vorteile dieses Antriebs liegen u.A. in seinen vergleichsweise geringen Herstellungskosten und der Tatsache, dass er gänzlich ohne seltene Erden auskommt. Zwei gewichtige Argumente, die unter anderem Audi und Mercedes überzeugt zu haben scheinen, denn im e-tron und im EQC kommt die Technik zum Einsatz. Auch wenn Asynchronmotoren weniger effizient und größer sind, als PSM-Motoren.

 

Axialflussmotoren

Bei der Bauform ähneln Axialflussmotoren (auch Scheibenläufermotor) den kompakten PSM-Modellen und auch beim Rotor kommen, wie bei den PSM-Verwandten, Permanentmagnete zum Einsatz. Auch hier sei mit erhobenem Zeigefinger auf die damit einhergehende Verwendung seltener Erden verwiesen. Der Stator ist hier aber nicht kreisförmig um den Rotor herum angeordnet, sondern der Elektromotor besteht aus verschiedenen Stator- und Rotor-Scheiben. Die Folge: Der magnetische Fluss verläuft parallel zur Drehachse, was die Scheiben-Konstruktion deutlich schmaler als die anderen Elektromotor-Bauarten ausfallen lässt. Das eröffnet beim Einbau des Motors völlig neue Möglichkeiten und stellt damit auch für Plug-In-Hybride eine interessante Möglichkeit der Motorisierung dar.

Mercedes ist kürzlich ein besonderer Coup gelungen, indem die Schwaben den Elektromotor-Spezialisten Yasa übernommen haben. Damit hat man sich nicht nur ein vielversprechendes Unternehmen mit ins Portfolio geholt, sondern auch jede Menge technisches Know-How. Yasa ist nämlich der Branchenprimus, wenn es um Axialflussmotoren geht – und die wiederum will Mercedes bis 2025 in seiner AMG-Modellreihe sehen. Dass Axialflussmotoren bei der bei Motorsportfans äußerst beliebten Mercedes-Tochter zum Einsatz kommen sollen, ist kein Zufall, denn sie spielen ihre Stärken vor allem im oberen Leistungsbereich aus.

Quelle Beitragsbilder:
Volkswagen – Newsroom