Wie funktioniert der Motor in einem Elektroauto?

Verfasst von am 22.02.2021 - 4 min

Vergessen Sie Zylinder, Kolben und Auspuffgase: Der Motor eines Elektroautos besteht aus einer Reihe von Teilen, die durch die Erzeugung eines Magnetfeldes Strom in mechanische Energie umwandeln.

Was ist ein Elektromotor?

Der Motor eines Elektroautos arbeitet mit einem physikalischen Verfahren, das Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt wurde. Mithilfe von Strom wird ein Magnetfeld am festen Teil des Motors (dem “Stator”) erzeugt, dessen Verschiebung einen rotierenden Teil (den “Rotor”) in Bewegung setzt. Wir werden uns diese beiden Teile und mehr weiter unten genauer ansehen. 

Das Funktionsprinzip eines Elektromotors

Was ist der Unterschied zwischen einem Motor per se und einem Verbrennungsmotor? Die beiden Begriffe werden oft synonym verwendet. Deshalb ist es wichtig, sie gleich zu Beginn zu unterscheiden. Ein “Motor” ist in der Automobilindustrie eine Maschine, die Energie aus einer Energiequelle in mechanische Energie (und damit Bewegung) umwandelt, während ein “Verbrennungsmotor” dasselbe tut, aber eben mit thermischer Energie. Wenn wir über die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie sprechen, meinen wir also die Verbrennung – nicht den Elektromotor.

Mit anderen Worten: ein Verbrennungsmotor ist eine Art von Motor. Aber ein Motor ist nicht unbedingt ein Verbrennungsmotor. Bei Elektrofahrzeugen, weil die mechanische Energie aus Elektrizität erzeugt wird, verwenden wir das Wort “Motor” für jenes Aggregat, das das Elektrofahrzeug in Bewegung setzt. 

Wie funktioniert der Motor eines Elektroautos?

Nun, da wir wissen, dass wir von Motoren und nicht von Verbrennungsmotoren sprechen: wie funktioniert der Motor in einem Elektrofahrzeug?

Elektromotoren finden sich heute in zahlreichen Alltagsgeräten. Diejenigen, die Gleichstrommotoren (DC-Motoren) verwenden, haben recht einfache Funktionen. Der Motor ist direkt an eine Energiequelle angeschlossen und seine Drehgeschwindigkeit hängt direkt von der Stärke des Stroms ab. Diese Elektromotoren sind zwar einfach zu produzieren, erfüllen aber nicht die Anforderungen an Leistung, Zuverlässigkeit oder Größe eines Elektrofahrzeugs. Sie werden jedoch für den Antrieb kleinerer Aggregate (Scheibenwischer, Fensterheber etc.) eingesetzt.

Der Stator und der Rotor

Wenn Sie verstehen wollen, wie ein Elektrofahrzeug funktioniert, müssen Sie mit den physikalischen Elementen des Elektromotors vertraut sein. Und das fängt damit an, dass man die Prinzipien seiner beiden Hauptteile versteht: den Stator und den Rotor. Der Unterschied zwischen den beiden ist einfach zu merken: Der Stator ist statisch, während der Rotor rotiert. In einem Motor verwendet der Stator Energie, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das dann den Rotor dreht.

Wie funktioniert also ein Elektromotor, der ein Fahrzeug antreiben muss? Dazu müssen wir uns den Wechselstrommotoren (AC) zuwenden, die den von der Batterie gelieferten Gleichstrom (DC) mit Hilfe eines Umrichters umwandeln müssen. Schauen wir uns die beiden unterschiedlichen Stromarten einmal genauer an.

Antrieb für das Elektroauto: AC oder DC?

Das Wichtigste zuerst: Wenn Sie verstehen wollen, wie ein Elektroauto-Motor funktioniert, müssen Sie den Unterschied zwischen Wechsel- und Gleichstrom (Elektronenströme) kennen. 

Elektrizität bewegt sich auf zwei Arten durch einen Leiter. Wechselstrom (AC) beschreibt einen elektrischen Strom, bei dem die Elektronen regelmäßig die Richtung wechseln. Gleichstrom (DC) fließt, wie der Name schon sagt, in eine einzige Richtung.

Die Batterie in einem Elektroauto funktioniert mit Gleichstrom. Der Antriebsmotor jedoch benötigt Wechselstrom – dazu muss die Gleichstromenergie aus der Batterie über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. 

Was passiert also, wenn diese Energie den Motor erreicht? Das hängt davon ab, ob das Fahrzeug einen Synchron- oder Asynchronmotor verwendet.

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WIE FUNKTIONIERT EIN ELEKTROFAHRZEUG?

Typen von Elektromotoren

Es gibt zwei Arten von Wechselstrommotoren in der Automobilindustrie: Synchron- und Asynchronmotoren. Beide Motorarten haben ihre eigenen Stärken – der eine ist nicht unbedingt “besser” als der andere.

Synchron- und Asynchronmotoren

Bei einem Asynchronmotor, auch Induktionsmotor genannt, erzeugt der elektrisch angetriebene Stator ein rotierendes Magnetfeld. Dieses zieht dann den Rotor in eine endlose Verfolgungsjagd, als ob er versuchen würde, das Magnetfeld einzuholen, ohne jemals Erfolg zu haben. Ein Asynchronmotor wird häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt, die hauptsächlich zum Fahren mit hohen Geschwindigkeiten über längere Zeiträume verwendet werden.

Bei einem Synchronmotor wirkt der Rotor selbst als Elektromagnet und beteiligt sich aktiv an der Erzeugung des Magnetfeldes. Seine Drehzahl ist somit direkt proportional zur Frequenz des Stroms, der den Motor antreibt. Dies macht einen Synchronmotor ideal für den Stadtverkehr, der typischerweise ein regelmäßiges Anhalten und Anfahren bei niedrigen Geschwindigkeiten erfordert.

Sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren können in „beide Richtungen“ arbeiten. Das bedeutet, sie können beim Verzögern auch mechanische Energie in elektrische umwandeln. Das ist das Prinzip des regenerativen Bremsens, das sich von der Lichtmaschine ableitet.

Die Teile eines Elektromotors

Schauen wir uns nun einige der verschiedenen Teile des Motors eines Elektrofahrzeugs genauer an: von den Magneten des Elektromotors oder fremderregten Synchronmotors (EESM) bis hin zur Antriebseinheit im Allgemeinen.

Permanentmagnete

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Einige Synchronmotoren verwenden für den Rotor einen Permanentmagneten. Diese Dauermagnete sind in den Stahlrotor eingebettet und erzeugen ein konstantes Magnetfeld. Ein Permanentmagnet für Elektromotoren hat den Vorteil, dass er ohne Stromzufuhr funktioniert, er erfordert aber die Verwendung von Metallen oder Legierungen wie Neodym oder Dysprosium. Diese “Seltenen Erden” sind ferromagnetisch, das heißt, sie können zu Dauermagneten magnetisiert werden. Sie werden für eine Vielzahl von industriellen Zwecken verwendet: von Windturbinengeneratoren, schnurlosen Werkzeugen und Kopfhörern bis hin zu Fahrraddynamos und… Antriebsmotoren für bestimmte Elektrofahrzeuge! 

Das Problem ist, dass die Preise für diese “Seltenen Erden” sehr stark schwanken. Trotz ihres Namens sind sie tatsächlich nicht so selten, allerdings kommen sie fast ausschließlich in China vor, das damit ein Quasi-Monopol auf ihre Produktion, ihren Verkauf und ihre Verteilung hat. Das erklärt, warum die Hersteller mit Hochdruck an alternativen Lösungen für Elektrofahrzeugmotoren arbeiten.

Fremderregte Synchronmotoren

Eine dieser Lösungen ist der Aufbau eines Elektromotor-Magneten aus einer Kupferspule – so gemacht beim Neuen Renault ZOE. Dies erfordert einen komplexeren industriellen Prozess, ermöglicht es aber, Versorgungsprobleme zu vermeiden und gleichzeitig ein hervorragendes Verhältnis zwischen Motorgewicht und geliefertem Drehmoment zu erhalten. 

Guillaume Faurie, Head of Engineering im Renault-Werk Cléon in Frankreich, gibt einen Einblick in die Komplexität und die Raffinesse des Motors des Neuen ZOE: “Die Herstellung eines EESM erfordert spezielle Spulenwicklungs- und Imprägnierungsprozesse. Die Einschränkungen der Leistungserwartungen an das Produkt, das Ziel, das Verhältnis von Gewicht zu Leistung zu reduzieren, und die schnelle Produktionsrate erfordern, dass wir die modernsten Technologien zur Durchführung dieser Prozesse effektiv einsetzen.”

Die elektrische Antriebseinheit

In einem Elektrofahrzeug ist der Motor, der aus dem Rotor und dem Stator besteht, Teil einer größeren Einheit: dem elektrischen Antriebsstrang. Dieser kann als Ensemble bezeichnet werden, das den Elektromotor zum Laufen bringt. 

Ebenfalls innerhalb dieser Einheit angesiedelt, vereint der Power Electronic Controller (PEC) die gesamte Steuerungselektronik, die für das Management der Stromversorgung des Motors und das Laden der Batterie verantwortlich ist. Auch der Getriebemotor ist in ihr enthalten – er regelt Drehmoment und Drehgeschwindigkeit, die vom Motor an die Räder übertragen werden. 

Zusammen sorgen diese Elemente dafür, dass der Elektromotor reibungslos und effizient arbeitet. Und das Ergebnis? Ihr Elektroauto ist leise, zuverlässig, preiswerter und bietet jede Menge Spaß beim Fahren!

 

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