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Elektromotor PSM Porsche Taycan
Elektromotor PSM Porsche Taycan
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Elektromotoren im Auto: Technik, Typen, Vor- und Nachteile

Elektromotoren im Auto (ASM, PSM, SSM) Die Wahrheit über den Elektromotor

Mit dem Wechsel des Antriebsprinzip geriet der Motor aus dem Blick der Technikinteressierten. Das ändert sich gerade. ASM, PSM, SSM – welche Arten es gibt, welche Vorteile und welche Nachteile sie haben.

Grundsätzlich funktionieren Elektromotoren, weil auf alle geladenen Teilchen oder Körper, die sich in einem magnetischen Feld bewegen, eine Kraft wirkt, die so genannte Lorentzkraft; bei Generatoren ist es umgekehrt: In einem im Magnetfeld bewegten Leiter wird eine elektrische Spannung induziert.

Daher können die meisten Elektromotoren auch als Generator arbeiten. Man bezeichnet sie dann als Elektromaschinen. Als Motor verwandeln sie elektrische Energie in Bewegungsenergie, als Generator arbeiten sie umgekehrt. Elektromotoren sind direkte Energienutzer und müssen die Energie nicht thermodynamisch umwandeln. Das ist der Hauptgrund für ihre hohe Effizienz. Ein weiterer, der vor allem im Auto wichtig ist: Die sich in der Rollbewegung entfaltende Energie kann durch Rekuperation wieder in die Batterie zurückgeführt werden. Da auch die Rekuperation einen Wirkungsgrad kleiner 100 Prozent hat – in der Praxis wird durch Lade/Entlade- und Motorverluste meist ein Drittel und mehr der kinetischen Energie in Wärme statt Vortrieb umgesetzt – ist es allerdings auch beim E-Auto grundsätzlich besser, die kinetische Energie möglichst vollständig ohne Rückumwandlung zu nutzen. Neben der Rekuperation hilft dem E-Antrieb, dass der E-Motor nicht (im Leerlauf) laufen muss, wenn das Fahrzeug steht. Im Winter ist das allerdings ein Nachteil, denn während E-Fahrzeuge im Stand zuheizen müssen, können Verbrenner die beim Betrieb entstehende Wärme nutzen. Sobald ein E-Auto eingeschaltet wird, liegt zudem eine nicht unerhebliche Grundlast an elektrischen Verbrauchern an.

BMW M8 Gran Coupe, Porsche Taycan Turbo, Exterieur
Technik erklärt

Gleich- oder Wechselstrommotor

Eine Unterscheidung von Elektromotoren ergibt sich dadurch, mit welchem Strom sie gespeist werden. Dementsprechend gibt es Gleichstrom- und Wechselstrom-Motoren. In Ihrem konkreten Aufbau kann es zu Überschneidungen kommen, bzw. es gibt Motoren, die mit Gleich- und mit Wechselstrom funktionieren. Unser Stromnetz arbeitet mit Wechselstrom, Batterien liefern Gleichspannung. Man könnte also vermuten, dass in Autos vor allem Gleichstrommotoren Verwendung finden. Aber das Gegenteil ist der Fall – weil Gleichstrommotoren meist einen schlechteren Wirkungsgrad und eine geringere Leistungsdichte haben. Außerdem brauchen sie für den Wechsel des Magnetfeldes im Rotor Schleifringe und -kontakte, sogenannte Bürsten, die Verschleiß unterliegen und störende Funken ("Feuer") verursachen.

Elektromotor
Wikimedia
Schematische Darstellung eines Gleichstrommotors: Permanentmagnete außen (Stator) und geschaltete Elektromagnete innen (Rotor), die ihre Polung wechseln.

Außerdem ist ihr mechanischer Aufbau komplexer, aber die Steuerung im Vergleich zu Drehstrommaschinen viel einfacher. Bei denen muss im Auto erstmal Wechselstrom erzeugt werden und dieser dann auch noch frequenzgeregelt werden. Das klassische Layout des Gleichstrommotors (siehe Bild) erklärt sich vereinfacht so: In einem Stator, einem U-förmigen Permanentmagnet (oder Elektromagnet) dreht sich eine Spule mit Eisenkern (Rotor). Fließt Strom durch die Rotor-Spule, magnetisiert der Stromfluss den Eisenkern in der Spule, dessen Magnetfeld richtet sich nach dem des Stators; stehen beide Magnetfelder gleich, würde die Drehbewegung enden. Dann aber ändert sich die Stromrichtung durch die Stromzuführung mittels eines so genannten Kommutators (unterbrochener Schleifring). Das polt auch das Magnetfeld um, so dass der Rotor sich wieder anders ausrichtet und dabei weiterdreht. Die Kraftentwicklung des Motors hängt von Stärke der Magnetfelder und damit von der Stromstärke ab. Die Stromübertragung in den bewegten Rotor via Kommutator ist technisch nicht trivial und potenziell verschleißanfällig (Kohle-Kontakte am Schleifring).

LinearLabs HET Motor Elektromotor Hunstable Electric Turbine
Alternative Antriebe

Wechselstrommotoren im Auto

Wechselstrommotoren sind im Aufbau einfacher. Die Wechselspannung (meist dreiphasig, dann bezeichnet man den Motor als Drehstrommotor) erzeugt ein ebenso wechselndes Magnetfeld. Im Autobereich werden ausschließlich dreiphasige Motoren genutzt. Der Ursprung unseres dreiphasigen Stromsystems beruht auf Generatoren bei denen so eine Drehbewegung besonders effizient in Strom umgewandelt werden konnte. Im Motor ergeben die drei anliegenden Wechselspannungen durch ihren Versatz von 120 Grad zusammen einen Drehkreis von 360 Grad. Der (außen liegende) Stator besteht aus mehreren kreisförmig angeordneten Spulen mit Eisenkern, die aus den wechselnden Magnetfeldern der verschiedenen Phasen ein Drehfeld machen. Ein magnetischer Rotor läuft dem drehenden Feld im unbeweglichen Stator hinterher, das Drehfeld erübrigt die Umpolung und damit die Schleifkontakte.

Es wird grundsätzlich zwischen Außen- und Innenläufermotoren unterschieden. Außenläufer bieten weniger Drehzahl, aber mehr Drehmoment, bei Innenläufern ist es umgekehrt. Im Auto gibt es bisher nur Innenläufer. Bei modernen Elektroautos finden vor allem zwei Typen von Wechselstrommotoren Verwendung: Asynchron und Synchronmotoren, wobei nur erstere ausschließlich mit Wechselstrom laufen, während Synchronmotoren für den Rotor entweder Gleichspannung für eine stromdurchflossene, magnetisierende Spule brauchen (fremd- bzw. stromerregt) oder einen Permantentmagneten im Rotor haben (permanent erregt). Wechselstrom fließt jeweils nur im Stator. Aber der Reihe nach.

Asynchronmaschinen (ASM)

Ein großer Vorteil von Asynchronmaschinen ist schon mal, dass sie ohne Permanentmagnete auskommen. Trotzdem brauchen sie keine mechanische, verschleißgefährdete Stromzuführung in den Rotor. Denn auch das Magnetfeld des Rotors wird hier durch Induktion erzeugt. Der Rotor (mit elektrischen Leitern, mindestens eine geschlossene Leitungswicklung) befindet sich im wechselnden Magnetfeld des Stators, was eine Spannung induziert. Auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt einerseits die Lorentzkraft. Andererseits magnetisiert die induzierte Spannung den Rotor. Dessen stromdurchflossenen Leiter bewegt einerseits das Drehfeld des Stators, andererseits läuft das Rotor-Magnetfeld angezogen von dem des Stators diesem hinterher – mit bis zu 8 Prozent Drehzahlunterschied. Weil die drehenden Magnetfelder von Rotor und Stator nicht synchron laufen, heißen die Motoren Asynchronmotoren. Der Clou beim asynchronen Motor: Eine Spannung wird nur induziert, wenn ein Drehzahlunterschied zwischen Stator und Rotor besteht. Also muss das Drehfeld im Stator schneller laufen (eben asynchron) als der Rotor (Rekuperation umgekehrt). Je größer diese Asynchronität (Schlupf) ist, desto mehr Leistung erzeugt der Motor. Bis zu seinem Kipppunkt.

Audi e-tron S Sportback
AUDI AG
Der Audi E-Tron S hat sogar drei Asynchronmotoren, zwei hinten, einen vorne.

Neben ihrem einfachen und günstigen Aufbau (als so genannte Kurzschluss-Käfigläufer) ohne Stromzuführung in den mit zu etwa. 16.000/min drehenden Rotor bzw. ohne Permanentmagnet aus teuren Materialien (seltene Erden wie Neodym) haben Asynchronmotoren den Vorteil, dass sie sich leichter stromlos stellen lassen, weil das Magnetfeld nicht permanent ist. Damit bringen sie einer von außen eingebrachten Bewegung nicht zwingend einen Widerstand entgegen. Synchronmotoren mit Permanentmagnet (PSM) arbeiten in solchen Fällen, also beim Rollen etwa, zwangsweise als Generator. Das führt auch zu Problemen beim Abschleppen beispielsweise, weil die als Generator funktionierende PSM dann unerwünschte Spannung ins eigentlich stromlose System bringt. Außerdem gelten Asynchronmotoren als robust und verschleißarm.

Nachteilig an Asynchronmotoren ist ihre im Vergleich geringere Leistungsdichte und ihre schlechtere Effizienz. Bei gleicher Leistung sind sie etwa 30 Prozent größer als Synchronmotoren mit Permanentmagnet. Bei Nennleistung können allerdings auch Asynchronmaschinen ähnlich effizient sein wie PSM. Das Problem liegt im niedrigeren Leistungsbereich, wo der sogenannte Blindleistungsanteil sich stark auswirkt. Daher erreichen PSM schon bei niedrigeren Leistungen als ASM hohe Wirkungsgrade.

Permanent erregte Synchronmaschinen (PSM)

Als Vorteil von Synchronmaschinen gilt entsprechend ihre höhere Leistungsdichte und eben ihr höherer Wirkungsgrad bei niedrigerer Leistungsanforderung. Bei ihnen laufen die Magnetfelder von Rotor und Stator in der Regel schlupffrei synchron, daher die Bezeichnung. Nachteil: Viele aktuell in Elektroautos eingesetzte Synchronmaschinen arbeiten mit einem Permanentmagneten im Rotor, für dessen Herstellung demzufolge seltene Erden nötig sind. Sie sind nicht gerade billig und ihre Beschaffung ist an Abhängigkeiten auf dem Rohstoffmarkt geknüpft; außerdem ist ihre Förderung ökologisch teils bedenklich. BMW beispielsweise verwandte bereits 2013 beim i3 eine PSM und versuchte, den Einsatz der teuren Materialien durch eine patentierten Aufbau des Rotors zu minimieren; den Motor nennt BMW Hybrid-Synchronmotor, weil er sich auch die so genannte Reluktanz, den magnetischen Widerstand zu Nutze macht (s.u.).

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Hans-Dieter Seufert
Den Porsche Taycan treibt mindestens eine permanent erregte Synchronmaschine an, ab dem Taycan 4S sind es zwei, eine vorn, eine hinten.

Fremd- oder stromerregte Synchronaschinen (FSM, SSM)

Eine Synchronmaschine ohne Permanentmagnete wäre also gut. Auch das gibt es. Bei den Autobauern setzt BMW (im iX3 und iX) beispielsweise die so genannte stromerregte Synchronmaschine (SSM) ein. Die Münchner schätzen die bessere Regelbarkeit, weil das Rotormagnetfeld eben nicht permanent ist, sondern von der eingesetzten Spannung abhängt, und dass das Drehmoment bei höheren Drehzahlen weniger schnell und stark abfällt. Zudem lässt sich die Zwangsinduktion von üblichen PSM verhindern, da der Rotor ja einfach stromlos geschaltet werden kann. Nachteilig: Der Rotorstrom beeinträchtigt die Leistung und seine Zuführung sowie seine Regelung sind kompliziert.

Elektromotor FSM
ams Professional
Schnitt durch eine fremd erregte Synchronmaschine (FSM), links die Schleifringe und die (gelben) Kontakte (Bürsten) zur Strom-Versorgung des Rotors.

Bei BMW gelangt der Strom über Bürsten und Schleifkontakte in den Rotor – das klingt schon verschleißanfällig und war es in der Vergangenheit auch. BMW bezeichnet seine Maschine allerdings als verschleißfrei, weil sie auf 15 Jahre (bzw. 8000 Betriebsstunden) ausgelegt seien. Das entspreche einer Laufleistung von rund 300.000 Kilometern. In zahlreichen Dauerläufen seien gar Laufleistungen jenseits der 1 Million Kilometer bewiesen. Außerdem habe man ein Servicekonzept für den Wechsels des Bürstenhalters entwickelt. Sprich: Sollte die Bürsten doch mal defekt sein, lassen sie sich leicht austauschen.

Kontaktlose, Stromerregte Synchronmaschine (SSM)

Eine stromerregte Synchronmaschine hat auch der Kolbenspezialist Mahle entwickelt. Anders als BMW verzichte Mahle allerdings auf die Spannungsübertragung zum Rotor durch Kontakte bzw. Bürsten. Das funktioniere induktiv. Die kontaktlose, induktive Energieübertragung beim Mahle-Motor gibt’s nur mit Wechselstrom. Batterien liefern allerdings Gleichstrom. Auch der Rotor einer Synchronmaschine benötigt (zum Ersetzen des Permanentmagneten im Rotor) Gleichstrom.

Mahle Elektromotor
Technik erklärt

In E-Autos erzeugt ein Traktionsinverter aus der Gleichspannung des Hochvolt-Bordnetzes eine Wechselspannung für das Drehfeld des Motors (Stators). In der Maschine von Mahle wandelt ein Brückengleichrichter, der auf dem rotierenden Part der Maschine sitzt, den Wechselstrom zurück in Gleichstrom. Die Energieübertragung erfolgt so induktiv, aber die Magnetfelder von Stator und Rotor laufen synchron ohne Schlupf. Mahle nennt als Wirkungsgrad 95 Prozent, in besonders günstigen Betriebsphasen sogar 96 Prozent – eine Effizienz, die auch die Formel-E-Teams für ihre Maschinen angeben.

BMW sagt, man habe ein kontaktloses Konzept nach eigenen Angaben ebenfalls geprüft, sich aber dann dagegen entschieden, weil der Gen5-Motor mit Kontakten eine höhere Leistung ermögliche und gut mit hohen Drehmomenten funktioniere. Im iX3 bietet das in verschiedenen Breiten (und Leistungsstufen) verfügbare Aggregat 210 kW, die Mahle-Maschine kommt auf 140 kW.

Reluktanzmotor

Während das Arbeitsprinzip der o.g. Elektromotoren auf der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und Stromfluss basiert, funktioniert der Reluktanzmotor mit bloßem Magnetismus; Magnetfelder ziehen nicht nur Magnete an, sondern auch Eisen, also weichmagnetische Materialien. Reluktanz bezeichnet den magnetischen Widerstand. Ein Eisenstück strebt danach, im Einflussbereich eines Magneten die Position mit dem geringsten magnetischen Widerstand einzunehmen (wie eine Kompassnadel). Dabei bewegt sich das Eisen und erzeugt damit eine Kraft. Die Crux ist allerdings, dass es nur einen kleinen Bereich gibt, in dem eine nennenswerte Kraft wirkt, daher pulsiert das Drehmoment bei reinen Reluktanzmotoren stark. Auch der Reluktanzmotor arbeitet mit stromdurchflossenen Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes bzw. mit einem Drehfeld ausgelöst durch Wechselstrom in verschiedenen Spulen. Dem drehenden Magnetfeld folgt dann beispielsweise ein Eisenkern mit ausprägten rechteckigen Zacken. Meistens besitzt der Rotor ganz ähnliche Zacken. Die Leistungsdichte des Reluktanzmotors ist allerdings überschaubar und die Ansteuerung des äußeren elektrisch erregten Magnetfeldes nicht gerade einfach, was aber im Zeitalter von Halbleitern weniger problematisch ist.

Mischformen

Um die Anziehungskraft des äußeren, stromerregten magnetischen Drehfeldes und damit die Leistungsausbeute zu verstärken, lassen sich Permanentmagnete auf die Zacken des Rotors aufbringen. Diese Bauform wird auch als Hybridmotor bezeichnet. Seine Funktionsweise erinnert an den permanent erregten Synchronmotor, bei dem der Magnet ja auch im Rotor sitzt und das stromerregte Feld über den außenliegenden Stator läuft. Die Leistungsdichte dürfte ebenfalls auf dem Niveau einer PSM liegen. Einem Tweet von Elon Musk zufolge könnte das Model 3 hinten eine solche Maschine haben. Sie wird vielerorts aber als PSM bezeichnet.

Tesla Model 3, Exterieur
Sebastian Renz
Elon Musk sagt, der hintere Motor des spurtstarken Model 3 arbeite mit Permanentmagneten, aber auch nach dem Reluktanzprinzip.

Auch BMW beanspruchte schon beim i3-Motor die Nutzung des Reluktanzprinzips. In der Pressemappe zum ersten E-Auto der Münchner hieß es: "Eine spezifische Anordnung und Dimensionierung der für die Entstehung des Antriebsmoments zuständigen Bauteile bewirkt neben dem durch die Permanentmagneten erzeugten Drehmoment noch ein sogenanntes Reluktanzmoment." Erzeugen würde dieses die magnetische Unsymmetrie des Rotors. Das soll "im Gegensatz zu anderen Motortypen auch noch bei hohen Drehzahlen ein großes Drehmoment" bewirken. Wegen der Kombination "von Eigenschaften zweier unterschiedlicher Maschinentypen bezüglich der Drehmomententwicklung" bezeichnet BMW das Aggregat als "Hybrid-Synchronmotor".

BMW i3, Motor
Achim Hartmann
Weil beim i3-Motor auch das Reluktanzmoment zur Kraftentwicklung beiträgt, bezeichnet ihn BMW als Hybrid-Synchronmotor.

Grundsätzlich sind sowohl der Tesla wie auch der i3-Antrieb vor allem mal PSM-Maschinen. Wie alle PSM mit einen Eisenanteil im Rotor entwickeln sie auch einen Reluktanzeffekt. Der kann durch geschickte Anordnung extra genutzt werden und damit eine Drehmomentverbesserung bringen. Letztlich bringt das Reluktanzprinzip alleine keine ausreichende Leistungsdichte, andererseits beeinflusst es die Kräfte auch in anderen E-Motoren. Wer das beachtet, kann offenbar die Effizienz steigern.

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Fazit

Stromfluss und Magnetismus statt Verbrennung und Wärmeenergie sorgen beim Elektromotor für Bewegung. Der Strom sollte idealerweise aus regenerativen Quellen kommen, seine Speicherung in der Batterie ist die eigentliche Herausforderung der Elektromobilität. Beim Magnetismus gibt es zwei Quellen – auch eine Möglichkeit E-Motoren zu unterscheiden: Permanentmagnete lassen sich aus seltenen Erden herstellen, stromdurchflossene Spulen machen sie überflüssig. Aber selbst wenn nicht, verbraucht der Elektromotor die wertvollen Rohstoffe nicht im Betrieb wie der Verbrenner Benzin oder Diesel.

Leistungsdichte und vor allem Effizienz müssen unter dem Verzicht auf Permanentmagnete nicht leiden, wie zum Beispiel BMW oder Mahle zeigen. Und bei der Charakteristik bzw. Leistungsverhalten im Zusammenhang mit der Drehmomententwicklung gibt es offenbar noch zahlreiche Kniffe – genau auf die wird es in Zukunft ankommen.

Die Herausforderungen bei der Verbesserung des Elektromotors in Zukunft liegt nicht in der Steigerung des maximalen Wirkungsgrads bei Nennleistung, sondern in der Verbesserung des Wirkungsgrads bei niedrigeren Leistungen sowie in der Optimierung seines Drehmomentverhaltens über die Drehzahl und einer besseren Regelbarkeit – auch im Hinblick auf Schleppverluste.

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