Elektromotor: Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile

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Die e-Mobilität steht in den Startlöchern: Bis 2020 sollen rund um den Globus zehn Millionen Elektroautos verkauft werden. Den Grundstein legte im Jahr 1834 der Ingenieur Moritz Jacobi, als er den ersten praxistauglichen Elektromotor überhaupt entwickelte. Bis heute hat sich die Funktionsweise jedoch grundlegend geändert!


Welche Art wird für E-Autos verwendet?

Elektromotoren machen den wohl bedeutendsten Unterschied zwischen Stromern und Benzinern aus. Anders als beim Verbrennungsmotor wird der Elektromotor nicht über fossile Brennstoffe angetrieben, sondern über elektrische Energie. Diese wird aus der Batterie in den Motor eingespeist und dann in mechanische Energie umgewandelt. Somit kann ein Elektromotor auch als Maschine definiert werden. Die verschiedenen Arten sind in zwei Hauptgruppen einzuteilen:

1. Gleichstrommotoren:

Gleichstrom zeichnet sich im Gegensatz zum Wechselstrom durch einen konstanten Stromfluss in eine bestimmte Richtung aus. Weitere Charakteristika des Motors sind das große Volumen sowie das hohe Gewicht, weshalb Gleichstrommotoren in E-Autos heutzutage kaum Verwendung finden.

2. Wechselstrommotoren:

Vielmehr eignet sich der Wechselstrommotor hervorragend für E-Cars. Bei Wechselstrom kann sich die Richtung des Stromflusses periodisch ändern, was den Vorteil verschafft, dass verschiedene Spannungen besonders gut umgewandelt werden können. Zudem können die Motoren dieser Art hohe Drehzahlen erreichen, sind aber dennoch kompakt in der Bauweise – somit fallen sie in der Regel leichter aus als Gleichstrommotoren.
Die verschiedenen Elektroautos auf dem Markt wie Nissan Leaf, BMW i3 und Tesla S werden also mit Wechselstrommotoren ausgestattet, die auch als AC (alternating current) Motoren bezeichnet werden. Des Weiteren muss jedoch zwischen asynchronen und synchronen Modellen unterschieden werden.

Wechselstrommotoren: synchron oder asynchron?

Motoren, die über Wechselstrom angetrieben werden, existieren in zwei verschiedenen Ausführungen. Weitaus verbreiteter sind die Synchronmotoren: Hier wird eine enorme Leistungsdichte erreicht, auch der Wirkungsgrad fällt extrem hoch aus. Damit ist das Verhältnis zwischen eingespeister sowie genutzter Energie und somit die Energieeffizienz gemeint. Verwendung findet der Synchronmotor zum Beispiel im sportlichen E-Kleinwagen BMW i3; doch auch Toyota, Honda und Mercedes nutzen diese Variante.

Heutzutage seltener kommen hingegen die Asynchronmaschinen vor. Der wohl prominenteste Vertreter ist der Tesla Roadster. Und auch diese Motorenart verschafft viele Vorteile, wie etwa:

  • hohe Drehzahlen
  • geringer Verschleiß
  • seltene Erden sind nicht erforderlich

Definition: Seltene Erden

Seltene Erden bezeichnen eine Gruppe seltener und teurer Industriemetalle. Im Bereich der e-Mobilität sind sie vor allem zur Herstellung von Magneten wichtig. Diese Magneten werden jedoch bei Asynchronmotoren nicht benötigt: Die benötigte Spannung wird hier durch Induktion von selbst erzeugt.

Die Funktionsweise von Elektromotoren im Überblick

Ein Elektromotor kann als Maschine bezeichnet werden, denn dieser ist in der Lage, die in der Batterie gespeicherte, elektrische Energie in mechanische umzuwandeln. Somit wird im Motor aus Kraft, die durch Elektromagnetismus entsteht, die Drehbewegung erzeugt. Da der synchrone Wechselstrommotor der mit Abstand meistgenutzte Motor in E-Cars ist, werden Funktionsweise und Aufbau vom Elektromotor im Auto anhand dieser Art erklärt. Mechanische Energie entsteht hierbei durch das Zusammenspiel zwei verschiedener Elektromagneten, auch Stator und Rotor genannt:

Stator

Fest am Motorgehäuse ist ein Feldmagnet fixiert, der auch Stator genannt wird. Diesen können Sie sich wie eine Art Ring mit zwei gegenüberliegenden Polen vorstellen. Der Stator wird über Gleichstrom betrieben – wird eine Stromquelle mit Wechselstrom genutzt, muss der Strom vorab gleichgerichtet werden. Durch die gleichbleibende Richtung des Gleichstroms entsteht dann ein konstantes Magnetfeld mit zwei ruhenden Polen.

Rotor

Der zweite Elektromagnet befindet sich innerhalb des Stators. Dieser wird Rotor genannt und ist im Gegensatz zum Stator drehbar. Auch dieser wird mit Strom durchflossen, wodurch hier ebenfalls ein Magnetfeld entsteht. Allerdings ist hierfür Wechselstrom notwendig: Durch die periodenweisen Wechsel des Stromflusses ändern sich auch die Pole in gleichem Maße – das geschieht bis zu 50 Mal pro Sekunde. Das Magnetfeld des umliegenden Stators, und somit auch die Pole, bleibt hingegen konstant. Zwischen dem Rotor und Stator wirken so abwechselnd anziehende und abstoßende Kräfte, sodass der Rotor kontinuierlich rotiert. Diese Drehbewegung wird anschließend auf die Achse übertragen.

Wichtigste Voraussetzung: Der Energiespeicher

Schnell wird dabei klar, dass der Batterie eine entscheidende Rolle zukommt: Ohne sie müssten E-Autos permanent an eine externe Stromquelle angeschlossen sein. Stand der Entwicklung sind hier die sogenannten Lithium-Ionen-Batterien, derzeit wird aber bereits an der nächsten Generation, den Lithium-Luft-Batterien geforscht. Auf dem Markt soll die innovative Technik jedoch erst ab dem Jahr 2020 erscheinen.

Info: Motor bei Elektroautos nicht die teuerste Komponente

Für die beliebten Stromer müssen Sie bislang hohe Kaufpreise zahlen. Grund dafür ist nicht der Motor, sondern vor allem die teure Batterie. Selbst bei E-Kleinstwagen wie dem smart fortwo electric drive kostet diese über 4.000 Euro. Mit steigender Kapazität erhöhen sich dabei auch die Preise – die im luxuriösen Tesla Model S verbaute Batterie beläuft sich auf über 20.000 Euro.

Die Vor- und Nachteile des Elektromotors

Fossile Brennstoffe werden rar, die Luft durch Emissionen zunehmend belastet: Elektroautos gehört deshalb nach Meinung vieler Experten die Zukunft. Demzufolge würde der Verbrennungsmotor nach und nach vom Elektromotor abgelöst werden. Wo die Vor- und Nachteile gegenüber den klassischen Verbrennungsmotoren liegen, zeigt die folgende Tabelle:

Vorteile Nachteile
produziert keinerlei Abgase und ist somit komplett CO2-neutral teurer in der Anschaffung
Strom ist günstiger als Diesel oder Benzin weitaus mehr Tankstellen als Ladestationen verfügbar: Energie für Verbrennungsmotoren ist leichter zu beschaffen
ermöglicht ein geräuscharmes Fahren als Stromquelle ist eine Batterie notwendig, die den gesamten Kaufpreis in die Höhe treibt
hoher Wirkungsgrad und somit hohe Energieeffizienz Batterie-Technik noch nicht vollständig ausgereift

 

Die Entwicklung des Elektromotors bis heute

Elektroautos gelten als Innovation des 21. Jahrhunderts. In Wahrheit fuhr das erste E-Mobil jedoch bereits vor rund 180 Jahren in Form eines Bootes, das von einem Elektromotor mit 220 Watt betrieben wurde. Vor allem mangelte es damals an günstigen Stromquellen, zudem konnte der verwendete Wechselstrom nicht über weite Strecken gespeichert und abgerufen werden.

Kommerziell wurde der Elektromotor deshalb erst, als Drobowolski den ersten Drehstrommotor erfand. Seither verbreitete er sich rasend schnell: Im Jahr 1884 wurde so in den USA die allererste elektrische Bahnstrecke eingeweiht. Rund 15 Jahre später waren sogar 40 Prozent der Kraftwagen in den USA elektrobetrieben. Durch den Anschluss vieler Haushalte an das Stromnetz bis zum Jahr 1940 zog der Elektromotor dann vor allem in Haushaltsgeräte wie etwa die Waschmaschine ein.

In E-Cars hingegen war der Elektromotor zu dieser Zeit längst nicht mehr interessant: Spätestens seit Henry Ford 1913 die Fließbandproduktion von Autos mit Verbrennungsmotoren einläutete, wurde der Elektroantrieb mehr und mehr verdrängt. Erst seit den 90er Jahren wurden von einzelnen Herstellern wie zum Beispiel Volkswagen wieder Versuche unternommen, E-Fahrzeuge auf dem Markt zu etablieren – die wahre Renaissance der Elektroautos wird jedoch erst auf unser 21. Jahrhundert datiert.

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