Kompakt, leicht und effizient: So funktionieren Elektromotoren

So funktioniert der Elektromotor

Gas geben, kuppeln, schalten … Wofür der Motor da ist, weiß doch jeder, oder? Aufgepasst: Das Herzstück des Elektroautos ist eine uralte Erfindung, überrascht durch seinen klaren Aufbau – und weist bemerkenswerte Besonderheiten auf.

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 sind die Akkus schwer. Weil es keine leistungsfähigen Akkus gab, hat sich der Elektromotor für stationäre Motoren, Lokomotiven und Haushaltsgeräte durchgesetzt, aber nicht bei Autos gegen den Verbrennungsmotor.

Viel Geschichte

Vor 180 Jahren schaffte es Moritz Hermann von Jacobi, auf einem Boot mit dem ersten echten Elektromotor die Newa in Sankt Petersburg zu befahren. Wer mehr darüber erfahren möchte und wissen will, wieso nach einer Glanzzeit um 1900 der Abstieg des Elektromotors begann, kann das ausführlich nachlesen beim Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Etwas Physik: Wie arbeitet ein Elektromotor?

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 Elektromotors. 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.

Auf der Wirkung dieser Lorentzkraft bauen Elektromotoren auf: Ein Permanentmagnet übt Kraft auf die bewegte Ladung eines Elektromagneten aus. Ein Kommutator sorgt dafür, das Magnetfeld des Rotors zu wenden. Im Einzelnen gibt es für Elektromotoren verschiedene Konstruktionen, die in der Anordnung der bewegten und der unbewegten Teile voneinander abweichen.

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

Video: Elektromotoren und ihre Funktionsweise kurz erklärt

Der große konstruktive Vorteil

Der herausragende Vorteil des Elektromotors ist die Effizienz: Seine 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.

Zwei wichtige Einschränkungen – um nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen: Wer die Abwärmeverluste des Verbrennungsmotors ins Feld führt, muss auch die Umwandlungsverluste bei der Stromerzeugung in Rechnung stellen. Anders gesagt: Wer mit schmutzigem Kohlestrom aus einem Kraftwerk mit höchstens 40 Prozent Wirkungsgrad fährt, verlagert nur Emissionen, vermeidet sie aber nicht. Elektroautos brauchen erneuerbaren Strom.

Außerdem: Die Ineffizienz des Verbrennungsmotors ist bei winterlichen Temperaturen seine Stärke. Die Abwärme kann fürs Heizen, Klimatisieren und die Scheibenbelüftung genutzt werden. Dem Elektroauto fehlt diese „vergeudete“ Energie. Die Effizienz sinkt, die Reichweite schwindet!

Weitere Pluspunkte des Elektromotors

  • Der hohe Wirkungsgrad schon bei niedriger Last ist ein Vorzug des Elektromotors, der vor allem dem innerstädtischen Verkehr zugute kommt. Hinzu kommt die Rekuperation. Bremsenergie wird zurückgewonnen. Dazu weiter unten mehr.
  • Die Leistungsentfaltung spricht klar für den Elektromotor. Er stellt nahezu sofort sein volles Drehmoment bereit. Man fährt ruckfrei an und beschleunigt schnell und konstant. Kupplung und Getriebe sind deshalb in den meisten Fällen überflüssig. Der Verbrennungsmotor dagegen muss erst eine höhere Drehzahl erreichen, um das gewünschte Drehmoment zu bieten. Er erreicht sein maximales Drehmoment beispielsweise bei 3.000 Umdrehungen in der Minute. Danach fällt es wieder ab.
  • 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 leider wieder drauf. Elektroautos sind nicht signifikant leichter.
  • 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.

Wechsel- oder Gleichstrom? Sowohl als auch!

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 oder Generator? Rekuperation!

Praktisch alle Elektroautos fahren mit Drehstrommotoren. Techniker verwenden den Begriff einer „umrichtergeführten Dreiphasen-Synchronmaschine“. Die drei jeweils um 120 Grad verschobenen Phasen des Drehstroms bewegen den Rotor um eine Drittelumdrehung weiter. Der Umrichter, der im normalen Fahrbetrieb den Gleichstrom der Akkus in Wechselstrom umwandelt, lässt beim Rekuperieren den Strom in die umgekehrte Richtung fließen. Der Elektromotor arbeitet als Generator, der Gleichrichter wandelt ihn in Ladestrom für die Akkus um.

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.

Nicht schalten, nicht kuppeln

Wo keine Schaltgetriebe benötigt wird, fehlt auch die Kupplung. Elektromotoren können in beiden Richtungen laufen, auch ohne gesonderten Rückwärtsgang. Wegen der gewohnten Bedienung haben Elektroautos ab Werk auch einen Rückwärtsgang, den der Fahrer einlegt. Auch aus Gewichtsgründen haben manche Fahrzeuge doch ein Getriebe.

Vorderrad, Hinterrad, Allrad

Elektroautos fahren standardmäßig mit Frontantrieb – dort, wo der Motor sitzt. Doch es spricht wenig dagegen, etwa mit zwei Motoren einen Allradantrieb zu realisieren. Beide Motoren können unterschiedlich stark sein; bei Hybrid-Elektrofahrzeugen wie von Toyota und Lexus dient der Motor an der Hinterachse eher zur Traktionsverbesserung.

Fazit: Motor und Akku kooperieren

So einfach die Konstruktion und so unverändert sein Bauprinzip seit langer Zeit ist, so anspruchsvoll ist die Zusammenarbeit von Elektromotor und Akku im Fahrbetrieb. Mikrocomputer und Hochleistungsschalter übernehmen im Hightech-Elektroauto die Regie.

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