Dass der Motor die Kernkomponente des Autos ist, dokumentiert BMW schon im Firmennamen. Doch nicht nur die Münchner sehen im Motor ihre zentrale Kompetenz. Ob das mit dem Elektroauto künftig so bleiben wird, ist eine der interessantesten Fragen.
Toyota nimmt die Entwicklung der E-Motoren in die eigenen Hände
Denn zumindest ist bislang Toyota der einzige Hersteller, der beim Prius III die Entwicklung in die eigenen Hände genommen hat, während Lexus seine Motoren von Aisin bezieht. Mercedes zum Beispiel setzt beim E-Motor des Mercedes S 400 Hybrid (der Mercedes S 400 Hybrid im Vergleichstest) auf den Zulieferer ZF-Sachs und beim Smart ED auf Zytek. Zulieferer haben die Chance, sich auf dem Feld der Elektromotoren zu profilieren. Heute am wichtigsten sind Synchronmotoren, die als Außen- oder Innenläufer zur Gattung der Drehstommotoren gehören.
Drehstrommotoren:
Für Werkzeugmaschinen sind Drehstrommotoren gängige Praxis, da sie auf den Dreiphasen-Wechselstrom aus dem Netz zurückgreifen. Im Auto, das sich aus dem Gleichstrom der Batterie versorgt, muss Drehstrom erst an Bord erzeugt werden – ein mit Verlusten behafteter Prozess.Vorangetrieben wurde der Trend zum automobilen Drehstrommotor vom enormen Entwicklungsfortschritt der Elektronik. Ihr fällt im Energiemanagement zwischen Batterie und Motor eine entscheidende Rolle zu: Sie muss die Batteriespannung über Wechselrichter in eine mehrphasige Wechelspannung umwandeln und dann den Elektromotor via Leistungselektronik situationsgerecht ansteuern. Da können schnell Ströme von 150 Ampere anfallen – fast der zehnfache Strom einer normalen Haushaltssteckdose.
Entscheidend bei der Konzeption solcher Steuergeräte ist, dass sie möglichst verlustarm, also mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Und die Elektronik, die bislang locker die Größe eines Zehn-Liter-Wassereimers erreicht, soll deutlich kompakter werden. Bei Bosch und Continental hält man eine Halbierung in den nächsten Jahren für machbar.
Asynchronmotoren:
Der Vorteil von Drehstrommotoren liegt neben ihrer Leistungsdichte in ihrer universellen Bauart. Am einfachsten aufgebaut und daher günstig in der Fertigung ist der Asynchronmotor. Sein Rotor besteht aus einem simplen Blechpaket und einer Kurzschlusswicklung, die der Erzeugung eines Magnetfelds dient. Weil zwischen Felderzeugung im Rotor und dem Feld im Stator ein Zeitverzug besteht, läuft der zeitlich verzögert – also asynchron. Solche Motoren kamen häufig in Prototypen wie beim BMW X5 Efficient Dynamics von 2004 zum Einsatz. Aktuell verwendet praktisch nur noch Tesla im Elektro-Roadster einen Asynchronmotor.
Synchronmotoren:
Mit noch besserem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte punktet der Synchronmotor, dessen Drehzahl die im Stator vorgegebene Frequenz bestimmt. Synchron zu dessen magnetischem Drehfeld bewegt sich der Rotor. Das erfordert einen höheren Regelaufwand. Dennoch geht sowohl bei E-Modellen wie auch bei Hybriden der Trend zum Synchronmotor, und zwar zur permanenterregten Version, deren Rotor auf hochwertige und relativ teure Dauermagneten baut. Von Toyota über Honda bis hin zu BMW und Mercedes nutzen nahezu alle Hersteller dieses Prinzip. Daher sehen es Experten mit gewisser Sorge, dass die zur Produktion von Magnetwerkstoffen notwendigen Seltene-Erden-Elemente Neodym und Dysprosium bei einem E-Auto-Boom knapp und teurer werden könnten.
Der Ausweg dürfte über den fremderregten Synchronmotor führen, bei dem die Magnetisierung also durch Stromzufuhr von außen erfolgt. Klar, dass ein solcher zusätzlicher Stromzehrer den Wirkungsgrad verschlechtert und Geld kostet.
Bauarten:
Motoren für rein elektrischen Antrieb sind in der Regel zentral an der Antriebsachse angeordnet und mit dem Achsgetriebe verblockt. Über Gelenkwellen gelangt die Kraft zu den Rädern. Bei einer solchen (Unterflur-)Anordnung ist vor allen eine kompakte, blockartige Bauart gefragt.
Ganz anders bei der kurbelwellennahen Anordnung in Hybridmodellen. Hier setzen Hersteller wie ZF Sachs oder Bosch auf eine scheibenförmige Bauart, die sich zwischen Motor und Getriebe integrieren lässt. Je nach Einsatzort und Einbaulage kann der Rotor innerhalb oder außerhalb des gehäusefesten Stators laufen. Während im Lexus LS 600h ein Innenläufer rotiert, setzt der Mercedes S 400 Hybrid auf einen Außenläufer. Letztere Bauart ist auch für Radnabenmotoren sehr gut geeignet – übrigens eine Bauform, die sich für reine Elektroautos empfiehlt, da sie wenig Platz benötigt.
So funktionieren Elektromotoren
Elektromotoren wandeln Kraft, die durch Elektromagnetismus entsteht, in eine Drehbewegung um. Sie haben grundsätzlich einen fest mit dem Gehäuse verbundenen Stator. In dem in der Fotoshow gezeigten Beispiel fließt Strom durch Kupferdrahtwicklungen und erzeugt dadurch in den Eisenkernen den nötigen Magnetismus.
Die Drehbewegung wird mit Hilfe wechselnder Magnetfelder eingeleitet. Der Rotor – in diesem Fall ein Außenläufer – folgt der vorgegebenen Drehung. Diese Drehung überträgt der Rotor dann auf eine Achse. Es gibt allerdings sehr unterschiedliche Ausführungen von Elektromotoren. Bei Gleichstrom-Motoren beispielsweise wird der Polwechsel der Magnetfelder durch die Bewegung des Rotors selbst über Schleifkontakte erzeugt. In diesem Fall entsteht dann das Magnetfeld über die Rotorwicklung, durch die Strom von ständig wechselnder Polarität fließt: mal plus, mal minus.
Anders als bei Gleichstrommotoren lässt sich bei Drehstrommotoren der Verschleiß durch solche Schleifkontakte vermeiden. Der Drehstrom aus der Steckdose garantiert quasi ein „natürliches“ Drehfeld. Versorgt man die Statorwicklungen mit den drei Phasen des Drehstroms, entstehen umlaufend sich auf- und abbauende Magnetfelder, denen der Rotor dann folgt.
Lexikon zum Thema Elektromotoren
Drehmoment-Charakteristik – Elektromotoren zeichnen sich durch ein hohes Startmoment aus, das erst im Bereich der maximalen Motorleistung abfällt.
Drehstrom – Wechselstrom, dessen drei Phasenlagen um jeweils 120 Grad versetzt sind.
Rekuperation – Elektromotoren können im Schubbetrieb als Generatoren genutzt werden und erlauben so eine teilweise Rückführung der Bewegungsenergie in die Batterie. Bei Drehstrommotoren ist dazu praktisch kein zusätzlicher Schaltaufwand nötig.
Rotor – bewegliches Antriebselement des Elektromotors.
Stator – mit dem Gehäuse fest verbundener Teil eines E-Motors.
Wechselrichter – elektronischer Wandler, der Gleichstrom in ein- oder mehrphasigen Wechselstrom umformt.
