So funktioniert der Motor eines Elektroautos
Das Elektroauto ist politisch gewollt. Erste Verbote für Verbrenner wurden bereits angekündigt. Hier erfährst du, wo die Vorteile liegen und wie ein Elektromotor funktioniert.
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Das Comeback des Elektroautos: Einblick in die Funktionsweise des Motors
Wenngleich zähneknirschend, so sind inzwischen auch die deutschen Autobauer im Markt der Elektroautos angekommen. Oder genauer, wieder zurück. Denn der aus dem oberfränkischen Coburg stammende Andreas Flocke war einer der ersten, der im Jahre 1888 einen auf vier Rädern fahrenden Elektrowagen baute. 1899 konstruierten Ludwig Lohner und Ferdinand Porsche den elektrischen Lohner-Porsche. Innenpol-Elektromotoren in den Radnaben der Vorderräder mit jeweils rund 3 PS und ein 44-zelliger Bleiakkumulator mit 80 Volt Spannung erlaubten eine Fahrdauer von etwa 3 Stunden. Das 980 Kilogramm schwere elektrische Fahrzeug erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 58 Stundenkilometern. 121 Jahre später fuhr der erste Käufer eines Elektro-Sportwagens des Typs Taycan vom Hof des Porsche Werks in Stuttgart-Zuffenhausen. Grund genug, der Frage nachzugehen, wie ein Elektromotor eigentlich funktioniert.
So funktioniert ein Elektromotor
Im Prinzip ganz einfach: Durch Elektromagnetismus werden Drehkräfte erzeugt. Das heißt, elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Für den Elektromotor wird die Tatsache genutzt, dass es mit elektrischer Energie möglich ist, nicht magnetische Materialien zu magnetisieren. Magneten verfügen über jeweils 2 Bereiche – magnetischer Nord- und Südpol – mit besonders starker Wirkung. Gleiche Pole stoßen sich ab und unterschiedliche Pole ziehen sich an. Durch Änderung der Fließrichtung der elektrischen Energie kann man jedoch die Polarität beeinflussen. Meist wird der Elektromotor unter der Motorhaube untergebracht. Es gibt aber auch die Lösung mit 2 Motoren für jede Achse, womit ein Allradantrieb zur Verfügung steht. Die Variante mit je einem eigenen Elektromotor pro Rad gibt es auch. Ein einfacher Elektromotor besteht aus einem fest montierten magnetischen Bauteil (Stator) und einem beweglichen, dem Rotor. Durch elektrische Aufladung wird der Rotor magnetisiert. Sind nun 2 Plus-Pole einander zugewandt, dann stoßen sie sich ab: der Rotor dreht sich und überträgt diese Drehbewegung auf eine Achse und somit auf die Räder. Um sicherzustellen, dass der Elektromotor in Bewegung bleibt und nicht durch sich gegenüber liegende Negativ-Pole zum Stillstand kommt, sorgt nach jeder halben Umdrehung ein Kommutator dafür, dass sich die Stromrichtung ändert. Die wichtigsten Bauteile eines Elektromotors sind also:
Stator
Beim Stator handelt es sich um einen Dauer- oder Elektromagneten. Er ist unbeweglich und sitzt fest am Motorgehäuse. Im Innern des Stators befindet sich auf einer Seite der Nordpol und auf der gegenüberliegenden Seite der Südpol. Dazwischen ist ausreichend Raum für den Rotor.
Rotor
Der zwischen den Polen des Stators angebrachte Rotor befindet sich auf der Motorachse und dreht sich um diese herum. Das mit lackiertem Kupferdraht umwickelte Bauteil besteht aus Eisen. Fließt Strom durch den Kupferdraht, wird der Rotor zum Elektromagneten und hat somit dann einen Nord- und einen Südpol.
Kommutator
Er sitzt auf dem Rotor und besteht aus 2 Stromabnehmern. Der Kommutator setzt den Kupferdraht unter Strom und sorgt auch dafür, dass das Magnetfeld des Rotors gedreht werden kann.
Eine Leistungselektronik steuert den Elektromotor. Sie wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in den benötigten Wechselstrom um und regelt Leistung und Drehzahl. Moderne Fahrzeuge werden in der Regel von Synchron- oder Asynchronmotoren angetrieben. Diese unterscheiden sich lediglich in der Funktionsweise des Rotors. Der Rotor in einem Synchronmotor folgt gleichzeitig – synchron – dem magnetischen Drehfeld des Stators. Beim Asynchronmotor folgt der Rotor dem magnetischen Drehfeld mit einer zeitlichen Verzögerung = asynchron. Wobei aktuell bevorzugt Synchronmotoren (PSM = Permanenterregte Synchronmaschine) verbaut werden. PSM-Motoren haben einen sehr hohen Wirkungsgrad. Zudem verfügen sie über eine hohe Leistungsdichte. Über den ganzen Drehzahlbereich hinweg ist die Leistungsabgabe konstant. Ein weiterer Vorteil Asynchronmotoren gegenüber ist, dass sie kleiner und leichter sind. Nachteilig ist, dass seltene Erden wie beispielsweise Neodym und Dysprosium für die Produktion zwingend erforderlich sind, denn diesen verdanken sie ihre guten magnetischen Eigenschaften. Asynchronmotoren hingegen benötigen keine seltenen Erden. Sie sind kostengünstiger, leider jedoch größer und schwerer. Dafür ist der Verschleiß geringer als bei Synchronmotoren. Ein weiterer Vorteil sind die hohen Drehzahlen, die möglich sind.
Seltene Erden sind eigentlich chemische Elemente in Form von Metallen. Laut Fraunhofer-Institut werden beim Abbau giftige und radioaktive Stoffe eingesetzt, wodurch die Umwelt und die Gesundheit der Menschen geschädigt wird. Außerdem muss zur Förderung ein sehr hoher Energieaufwand betrieben werden. Durch den wachsenden Einsatz erneuerbarer Technologien dürfte die Versorgungslage mittel- bis langfristig einen kritischen Punkt erreichen, was vor allem die Automobilindustrie und die erneuerbare Energieversorgung vor ein großes Problem stellen dürfte. Zudem dominiert mit etwa 48 Prozent der weltweiten Reserven und aktuell ca. 85 Prozent der Fördermenge China den Weltmarkt.
Elektromotor vs. Verbrennungsmotor
Der Elektromotor ist wesentlich einfacher aufgebaut als der Verbrennungsmotor. Der Motor eines Elektroautos besteht aus etwa 1.000 Einzelteilen, der eines durchschnittlichen Pkws aus etwa 1.400 Einzelteilen. Und je komplexer ein Motor aufgebaut ist, desto fehleranfälliger und wartungsintensiver ist er. Ein weiterer Vorteil des Elektromotors ist sein geringes Gewicht. Ein vergleichbarer Benzinmotor wiegt etwas das Vierfache. Diesen Gewichtsvorteil machen allerdings die schweren Akkus (bzw. Batterien) wieder wett. Der Wirkungsgrad von Motoren in elektrisch betriebenen Autos beträgt bis zu 90 Prozent, der von Verbrennungsmotoren liegt bei 30 bis 40 Prozent.
Elektromotoren haben einen ganz entscheidenden Vorteil: Ihr volles Drehmoment liefern sie bereits aus dem Stand heraus. Verbrennungsmotoren hingegen erreichen erst bei 800 bis 1.000 Umdrehungen pro Minute ihre Zugkraft. Wobei die Drehzahl über das Getriebe angepasst wird, das beim Elektromotor meist nicht erforderlich ist. Auch die klassische Kupplung braucht er nicht. Hinzu kommt, dass Elektromotoren extrem leise sind. Damit sie nicht überhört werden, müssen neue Fahrzeugtypen seit Juli 2019 mit einem AVAS ausgestattet sein – Acoustic Vehicle Alerting System – ab 2021 dann alle Elektroautos.
Seine Schwächen zeigt der Elektromotor im Winter. Da es kaum Wärmeverluste gibt, müssen Heizung und Gebläse die erforderliche Energie über die Batterie abrufen, was spürbar auf Kosten von Effizienz und Reichweite geht. Verbrennungsmotoren nutzen dazu die Motorabwärme. Wesentliches Plus des Elektromotors ist, dass er ohne Schadstoffausstoß unterwegs ist.
