Elektromotoren Das magnetische Herz der E-Mobilität

Autor / Redakteur: Holger Holzer/SP-X / Lena Straßberger

Klein, leise und gut versteckt – selbst für überzeugte E-Mobilisten ist der Elektromotor häufig ein unbekanntes Wesen. Eine Übersicht über die Bauarten.

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Auch Yamaha baut E-Motoren, hier ein ölgekühlter PSM.
Auch Yamaha baut E-Motoren, hier ein ölgekühlter PSM.
(Bild: Yamaha)

Achtzylinder, Sechzehnventiler, Sauger, Direkteinspritzer, Diesel und Benziner – die Variantenvielfalt bei Verbrennungsmotoren ist enorm. Das Antriebsangebot im E-Auto ist im direkten Vergleich deutlich übersichtlicher. Lediglich eine Handvoll Grundtypen sind im Einsatz. Eine Typenkunde.

Allen Elektromotoren gemein ist der grundsätzliche Aufbau aus einem feststehenden, magnetischen Stator und einem sich bewegenden Rotor (oder „Läufer“), der letztlich auch die Räder des Autos in Bewegung setzt. Damit er sich dreht, muss er über ein Magnetfeld verfügen, das vom Magnetfeld des Stators angezogen wird. Kurz bevor sich beide treffen, wandert das Feld des Stators weiter und zwingt den Rotor dazu, hinterherzuziehen.

PSM – der effiziente Allrounder

Am häufigsten übernimmt mittlerweile der sogenannte permanenterregte Synchronmotor (PSM) die Antriebsarbeit im E-Auto. „Permanent“, weil der Rotor über eigene Magneten verfügt, die ein permanentes Feld erzeugen. Diese Motoren sind kompakt, laufruhig und verfügen über einen hohen Wirkungsgrad.

Allerdings sind sie teuer: Vor allem die Seltenen Erden als Rohstoff für die Permanentmagneten kosten viel Geld, sie sind nur begrenzt verfügbar und in der Gewinnung energieintensiv. Trotzdem ist der PSM heute mit weitem Abstand der gängigste Elektroantrieb in E-Autos und Plug-in-Hybriden. An Bord haben ihn unter anderem die VW-ID-Modelle, der Porsche Taycan, der BMW i3 und auch der neue Mercedes EQS.

FSM – die günstige Alternative

Synchronmotoren gibt es auch ohne die teuren Permanentmagneten. Bei der fremderregten Variante (FSM) wird das Magnetfeld temporär durch Strom erzeugt – also durch einen Elektromagneten. Das ist in der Produktion deutlich günstiger als die Verwendung permanenter Magnete.

Gleichzeitig ist der Wirkungsgrad etwas schlechter als bei der PSM-Variante, weshalb diese Technik vor allem für eher preissensible E-Autos interessant ist. Und für solche, bei denen es nicht auf extreme Fahrleistungen oder Reichweiten ankommt. Kein Wunder also, dass er in Kleinwagen wie dem Renault Zoe erste Wahl bei den Entwicklern war.

ASM – der große Segler

Neben den beiden Arten von Synchronmotoren gibt es noch eine dritte Variante der E-Maschine: die Asynchrone. Während bei den Synchronmotoren die Magnetfelder von Stator und Rotor im gleichen Takt laufen, hinkt der Rotor beim Asynchronmotor (ASM) leicht hinterher. Das sehr robuste Gesamtkonzept ist etwas simpler, kommt ohne aufwendige Regelung und teure Permanentmagnete aus. Im Gegenzug mangelt es dem ASM jedoch an Effizienz.

Zudem ist er vergleichsweise schwer und laut. Allerdings er hat einen großen Vorteil: Er lässt sich jederzeit deaktivieren. Wird der Strom abgeschaltet, läuft er im Freilauf mit und verbraucht dabei keine Energie. Die Permanentmagnete im PSM hingegen wirken im Schiebebetrieb wie ein Dynamo und rekuperieren permanent. Beim Segeln auf der Schnellstraße ist das nicht erwünscht. Der ASM ist unter anderem bei Audi E-Tron und Mercedes EQC zu finden, wo auch sein erhöhter Platzbedarf kein Problem ist.

Kombi-Antrieb – das Beste aus zwei Welten

Der ASM spielt vor allem bei teuren E-Mobilen für die Langstrecke eine wichtige Rolle, der PSM ist in der Stadt und im Kurzstrecken-Alltag effizienter. Weil in vielen E-Modellen mit Allradantrieb sowieso zwei Motoren zum Einsatz kommen, liegt es nahe, in solchen Fällen die Vorteile beider Konzepte zu verbinden. Tesla etwa setzt bei Model S und X einen ASM für den Highway-Betrieb ein, während abseits der Schnellstraße der effizientere PSM den Antrieb übernimmt. Künftig dürfte sich diese Art der Arbeitsteilung auch in weiteren Modellen finden. Allerdings wohl eher in der gehobenen Preisklasse.

Reluktanzmotor – einer für morgen

Ein Kandidat mit Zukunft im E-Auto könnte der sogenannte Reluktanzmotor sein, der nach einem komplett anderen Prinzip arbeitet als die magnetisch erregten Maschinen. Er macht sich das Phänomen zunutze, dass jedes System nach minimalem magnetischem Widerstand (Reluktanz) strebt.

Weil der Rotor ohne Permanent- oder Elektromagnete auskommt, ist er in der Herstellung sehr günstig. Auch seine Robustheit spricht für ihn. Allerdings ist der Motor eher laut, wenig laufruhig und zudem vergleichsweise groß.

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