Kompakt, leicht und effizient: So funktionieren Elektromotoren

So funktioniert der Elektromotor

Gas geben, kuppeln, schalten: Wozu der Motor da ist, weiß doch jeder, oder? Das Herzstück des E-Autos ist eine uralte Erfindung mit klarem Aufbau – und weist beeindruckende Besonderheiten auf. Wir klären Sie über seine Vorzüge auf.

Viel Geschichte

Wenn Sie einen Verbrennungsmotor mit seinen unzähligen Einzelteilen neben einen Elektromotor stellen, ist das ungefähr so, als würde man eine komplizierte Chemiefabrik mit einem übergroßen Fahrrad-Dynamo vergleichen. Elektromotoren sind leicht und kompakt – leider waren die erforderlichen Akkus lange schwer und unhandlich bei geringer LeistungsfähigkeitDer Elektromotor hat sich daher zwar für stationäre Motoren, Lokomotiven oder Haushaltsgeräte durchgesetzt, aber bislang nicht bei Autos gegen den Verbrennungsmotor. 

Die Funktion eines Elektromotors

Der E-Motor in einem Satz: Es wird Kraft durch Elektromagnetismus erzeugt und in eine Drehbewegung umgesetzt. Aus elektrischer wird mechanische Energie. 

Stator und Rotor sind die zentralen Bauteile eines E-Motors. Der Stator am Motorgehäuse ist ein Feldmagnet, der durch Gleichstrom ein konstantes Magnetfeld mit zwei ruhenden Polen erzeugt. Der Rotor, der im Stator schwebt, dreht sich auf einer Lagerwelle. Auch durch ihn fließt Strom, nämlich Wechselstrom. Da dieser bis zu 50 Mal pro Sekunde seine Richtung und somit die Pole ändert, wirken in stetem Wechsel anziehende und abstoßende Kräfte. Das erzeugt eine Drehbewegung, wird auf eine Achse übertragen und so in mechanische Energie umgewandelt. 

Die Motorentwicklung der vergangenen Jahre beschäftigte sich insbesondere mit dem Einsatz neuer Legierungen, die den Motor noch leichter machen und den Einsatz seltener Erden verringern. 

Video: Elektromotoren und ihre Funktionsweise kurz erklärt

Weitere Pluspunkte des Elektromotors

Der herausragende Vorteil des Elektromotors ist seine Effizienz: Die Wärmeverluste betragen um die 10 Prozent., bis zu 90 Prozent der Energie werden in mechanische Energie umgesetzt. Beim Verbrennungsmotor – Physiker sagen dazu „Wärmekraftmaschine“ – liegen die Verhältnisse eher andersherum. 

Der hohe Wirkungsgrad schon bei niedriger Last ist ein Vorzug des Elektromotors, der vor allem dem innerstädtischen Verkehr zugutekommt. Hinzu kommt die Rekuperation: Dabei wird Bremsenergie zurückgewonnen.  

Die Leistungsentfaltung spricht klar für den Elektromotor. Er stellt nahezu sofort sein volles Drehmoment bereit. Man fährt ruckelfrei an und beschleunigt schnell und konstant. Kupplung und Getriebe sind deshalb überflüssig. 

Elektromotoren sind kompakt und leicht. Bei gleicher Leistung wiegt ein Benzinmotor fast viermal so viel. Allerdings: Was der Motor an Gewicht spart, schlagen die schweren Akkus wieder drauf. Elektroautos sind also nicht leichter als die Verbrenner-Konkurrenz. 

Elektromotoren haben weniger Teile. Ihr einfacher Aufbau macht sie vergleichsweise kostengünstig, verschleißarm, wartungsfreundlich und weniger reparaturanfällig. 

Mit einem Elektromotor fährt man leise und lokal abgasfrei. Die bessere Umweltbilanz ergibt sich (nur) durch das Fahren mit regenerativ erzeugtem Strom. 

Eine Frage, die beim Elektroauto oft gestellt wird, heißt: Wechsel- oder Gleichstrom? Die Antwort heißt: sowohl als auch! Denn der Akku arbeitet mit Gleichstrom, der Motor mit Gleich- und Wechselstrom. Wie oben geschildert wird das Magnetfeld des Stators mit Gleichstrom erzeugt, Wechselstrom magnetisiert den Rotor. Ein Inverter hat die Aufgabe, Gleichstrom aus dem Akku in die vom Motor benötigte Wechselspannung umzuwandeln. 

Motor und Generator: Rekuperation

Elektromotoren können kinetische Energie in elektrische Energie zurückverwandeln. „Nutzbremse“ sagen Ingenieure dazu. Rekuperation „vernichtet“ beim Abbremsen oder Abwärtsfahren keine Energie, sondern speichert sie im Akku. Nicht überhitzte Bremsen, sondern mehr Reichweite ist das Ergebnis. Experten halten eine Rückgewinnung von Bremsenergie mit Wirkungsgraden von deutlich über 50 Prozent für problemlos möglich. 

Dabei gilt: Je sanfter man auf die Bremse tritt, umso mehr Bremsenergie wird zurückgespeist. Beim innerstädtischen Stop-and-go kann der Stromverbrauch um 30 Prozent sinken. 

Noch mehr Technik

Wo kein Schaltgetriebe benötigt wird, fehlt auch die Kupplung. E-Motoren können in beiden Richtungen laufen, auch ohne gesonderten Rückwärtsgang. Wegen der gewohnten Bedienung haben E-Autos auch einen Rückwärtsgang, den der Fahrer einlegen kann. E-Autos fahren standardmäßig mit Frontantrieb – dort, wo der Motor sitzt. Die Leistungselektronik eines E-Autos besteht aus einem Inverter und einem Spannungsumwandler und stellt die Verbindung zwischen E-Motor und Batterie her. Die Bestandteile der Leistungselektronik regeln und überwachen den Motor, wandeln Gleichspannung der Batterie in die für den Motor benötigte Wechselspannung um und versorgen auch die Batterie mit Strom – wenn der Motor als Generator arbeitet.

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