Unterschiede bei der Effizienz

Elektromotoren: Es gibt drei Arten – doch die Zukunft gehört wohl dieser Technik

  • Sebastian Oppenheimer
    vonSebastian Oppenheimer
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Benziner, Diesel, Vier- und Sechszylinder, Direkteinspritzung oder nicht: Die Variantenvielfalt beim Verbrennungsmotoren ist enorm. Beim Elektromotor geht es deutlich übersichtlicher zu.

München – Ein paar Magnete, etwas Kupfer und eine Welle zur Kraftübertragung: Verglichen mit einem modernen Diesel oder Benziner ist der Aufbau eines Elektromotors erstaunlich simpel. Im Prinzip arbeiten die Maschinen im E-Auto alle mit ähnlicher Technik. Im Detail gibt es aber ein paar Unterschiede, die man als Autokäufer kennen sollte. 

Der Ingolstädter Autobauer Audi setzt im e-tron auf einen Asynchronmotor.

Elektromotoren: Es gibt drei Arten – doch die Zukunft gehört wohl dieser Technik

Drei Unterarten von E-Maschinen haben sich heute im Pkw durchgesetzt. So gut wie alle arbeiten mit Wechselstrom beziehungsweise Drehstrom. Allen gemein ist außerdem der grundsätzliche Aufbau aus einem feststehenden, magnetischen Stator und einem sich bewegenden Rotor (oder „Läufer“), der letztlich auch die Räder des E-Autos (Reif für ein Elektroauto? Mit diesen fünf Fragen finden Sie es heraus) in Bewegung setzt. Damit er sich dreht, muss er über ein Magnetfeld verfügen, das vom Magnetfeld des Stators angezogen wird. Kurz bevor sie sich treffen, wandert das Feld des Stators weiter und zwingt den Rotor dazu, sich ebenfalls weiter zu bewegen. 

Am häufigsten übernimmt mittlerweile der sogenannte permanenterregte Synchronmotor (PSM) die Antriebsarbeit im E-Auto. „Permanent“, weil der Rotor über eigene Magneten verfügt, die ein permanentes Feld erzeugen. Das ist bei der fremderregten Variante (FSM) nicht der Fall. Dort wird das Magnetfeld temporär durch Strom erzeugt – also durch einen Elektromagnet. Sie ist in der Produktion deutlich günstiger als die Verwendung permanenter Magnete aus Seltenen Erden, weshalb diese Technik vor allem für eher preissensible E-Autos (Höhere Kaufprämie für E-Autos: Die 10 größten Elektro-Schnäppchen) interessant ist. Oder für solche, bei denen es nicht auf extreme Fahrleistungen ankommt. Kein Wunder also, dass er in Kleinwagen wie der Renault Zoe erste Wahl bei den Entwicklern war. Und auch der aktuelle Smart setzt auf die Technik.

Im Renault Zoe arbeitet ein fremderregter Synchronmotor (PSM).

Unterschiede von Elektromotoren: Permanenterregte Synchronmotoren brauchen wenig Bauraum

Andere Hersteller sehen in Motoren mit den teureren Permanentmagneten die bessere Alternative. Denn die haben in Sachen Effizienz und Leistungsdichte einfach Vorteile. Gerade diese Punkte macht die permanenterregte Synchronmaschine für viele Hersteller trotz der höheren Kosten interessant. Denn sie ermöglicht bei gleicher Batteriekapazität durch ihren sparsamen Umgang mit der Energie eine größere Reichweite (E-Autos: Mit welchen Überraschungen Sie bei der ersten Fahrt rechnen müssen) und benötigt zudem vergleichsweise wenig Bauraum. Daher ist der PSM in nahezu allen Hybridautos zu finden, die unter ihrer engen Haube ja auch noch einen Verbrennungsmotor unterbringen müssen. Und auch im Großteil der aktuellen reinen E-Autos, etwa im Porsche Taycan und VW ID.3, kommt er zum Einsatz. 

Porsche setzt im Taycan auf einen permanenterregten Synchronmotor.

Unterschiede von Elektromotoren: Asynchronmaschinen können einen Boost-Effekt erzeugen

Neben den beiden Arten von Synchronmotoren gibt es noch eine dritte Variante der E-Maschine: die asynchrone. Während bei den Synchronmotoren die Magnetfelder von Strator und Rotor im gleichen Takt laufen, hinkt der Rotor beim Asynchronmotor (ASM) leicht hinterher. Das sehr robuste Gesamtkonzept ist etwas simpler, kommt ohne aufwendige Regelung und teure Permanentmagnete aus. Im Gegenzug mangelt es dem ASM jedoch an Effizienz. Zudem ist er vergleichsweise schwer und laut. Aber er hat einen großen Vorteil: Er lässt sich jederzeit deaktivieren. Wird der Strom abgeschaltet, läuft er im Freilauf mit und verbraucht dabei keine Energie. Die Permanentmagnete im PSM hingegen lassen sich nicht abschalten. Treibt der Motor das Auto nicht aktiv an, wirkt er stattdessen wie ein Dynamo und rekuperiert permanent. Und das ist nicht gewünscht, denn diese Form der Stromgewinnung ist nur effizient, wenn die Energie ansonsten beim Bremsen in Form von Wärme verloren gehen würde. Beim gleichmäßigen Segeln auf der Autobahn ist das aber nicht der Fall – dort dient die Energie der Fortbewegung.

Der ASM spielt daher vor allem bei teuren E-Mobilen für die Langstrecke eine wichtige Rolle. Dort kommt noch ein anderer Vorteil zum Tragen: Denn der Asynchronmotor kann kurzzeitig mit Überlast arbeiten und so einen Boost-Effekt erzeugen – gerade für die sportlich positionierten E-Mobile der Premiumklasse ist das interessant. Der ASM ist daher unter anderem beim Audi e-tron und Mercedes EQC zu finden. Auch Tesla setzt ihn bei Model S und Model X ein, mittlerweile in Kombination mit dem vor allem abseits des Highways effizienteren PSM. Künftig dürfte sich solch eine Art der Arbeitsteilung auch in weiteren Modellen finden. Allerdings wohl eher in der gehobenen Preisklasse. 

Unterschiede von Elektromotoren: Dieser Technik könnte die Zukunft gehören

Ein Kandidat mit Zukunft im E-Auto (Das gescheiterte Elektroauto von Dyson: Warum der Staubsaugerfirma die Luft ausging) könnte der sogenannte Reluktanzmotor sein, der nach einem komplett anderen Prinzip arbeitet als magnetisch erregte Maschinen. Er macht sich das Phänomen zunutze, dass jedes System nach minimalem magnetischem Widerstand (Reluktanz) strebt. Weil der Rotor ohne Permanent- oder Elektromagnete auskommt, ist er in der Herstellung sehr günstig. Allerdings ist der Motor laut und wenig laufruhig. 

Ganz so einförmig, wie es auf den ersten Blick aussieht, ist die Welt der Elektromotoren also nicht. Und auch für die Zukunft dürfte es noch größere Entwicklungsschritte geben, vor allem bei den Kosten. (Holger Holzer/SP-X)

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