Wie funktioniert der Motor eines Elektroautos?

Was ist ein Elektromotor? 

Ein Elektroautomotor funktioniert nach einem physikalischen Prinzip, das Ende des^19. Jahrhunderts entwickelt wurde. Bei diesem Prinzip wird mithilfe von Strom ein Magnetfeld am feststehenden Teil der Maschine, dem „Stator“, erzeugt, das durch seine Bewegung ein rotierendes Teil, den „Rotor“, in Bewegung versetzt. Auf diese beiden Bauteile werden wir später in diesem Artikel noch näher eingehen.

Das Funktionsprinzip eines Elektromotors

Was ist der Unterschied zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor? Die beiden Begriffe werden oft synonym verwendet. Daher ist es wichtig, sie von Anfang an voneinander abzugrenzen. Obwohl sie derzeit fast wie Synonyme verwendet werden, bezeichnet ein „Elektromotor“ in der Automobilindustrie eine Maschine, die Energie in mechanische Energie und damit in Bewegung umwandelt, während ein Verbrennungsmotor dieselbe Aufgabe erfüllt, dabei jedoch speziell thermische Energie nutzt. Wenn von der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie die Rede ist, spricht man also von Verbrennung und nicht von Elektrizität.

Es ist also die Art der umgewandelten Energie, die bestimmt, ob es sich um einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor handelt. Bei Elektrofahrzeugen wird – da die mechanische Energie durch Elektrizität erzeugt wird – der Begriff „Elektromotor“ verwendet, um das System zu beschreiben, das das Elektrofahrzeug antreibt. Dies wird als Antrieb bezeichnet.

Wie funktioniert ein Elektromotor in einem Elektrofahrzeug? 

Da nun feststeht, dass es sich hier um Elektromotoren und nicht um Verbrennungsmotoren handelt, wollen wir uns nun mit der Funktionsweise des Motors in einem Elektrofahrzeug befassen.

Elektromotoren sind heute in vielen Alltagsgegenständen zu finden. Diejenigen, die mit Gleichstrommotoren (DC oder Direct Current) ausgestattet sind, verfügen über recht einfache Funktionen. Der Motor ist direkt an eine Energiequelle angeschlossen, sodass seine Drehzahl direkt von der Stromstärke abhängt. Obwohl diese Elektromotoren einfach herzustellen sind, erfüllen sie nicht die Anforderungen an Leistung, Zuverlässigkeit oder Größe, die für ein Elektrofahrzeug erforderlich sind. Sie können jedoch zum Antrieb von Scheibenwischern, Fenstern und anderen kleinen Mechanismen im Fahrzeuginnenraum verwendet werden.

Der Stator und der Rotor

Um die Funktionsweise eines Elektrofahrzeugs zu verstehen, muss man sich mit den physikalischen Komponenten seines Elektromotors vertraut machen. Das beginnt mit einem guten Verständnis der Funktionsprinzipien seiner beiden Hauptteile: des Stators und des Rotors. Eine einfache Möglichkeit, sich den Unterschied zwischen den beiden zu merken: Der Stator ist „statisch“, während sich der Rotor „dreht“. In einem Elektromotor nutzt der Stator Energie, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das wiederum den Rotor in Drehung versetzt.

Wie funktioniert also ein Elektromotor,der ein Elektrofahrzeug antreibt?Dazu werden Wechselstrommotoren (AC oder Alternative Current) benötigt, die einen Umrichter erfordern, um den von der Batterie gelieferten Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Schauen wir uns die beiden Stromarten einmal genauer an.

Aufladen eines Elektrofahrzeugs: Wechselstrom (AC) vs. Gleichstrom (DC)

Um die Funktionsweise eines Elektroautomotors zu verstehen, muss man zunächst einmal den Unterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom (elektrische Ströme) kennen.

Es gibt zwei Arten, wie Strom in einem Leiter fließen kann. Wechselstrom (AC) bezeichnet einen elektrischen Strom, bei dem die Elektronen periodisch ihre Richtung ändern. Gleichstrom (DC) fließt, wie der Name schon sagt, nur in eine Richtung.

Die Batterien von Elektroautos werdenmit Gleichstrombetrieben. Für den Hauptmotor des Elektrofahrzeugs (der für den Antrieb des Fahrzeugs sorgt) muss dieser Gleichstrom jedoch über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.

Was passiert, wenn diese Energie den Elektromotor erreicht? Das hängt ganz vom verwendeten Motortyp ab: Synchron- oder Asynchronmotor.

Die verschiedenen Arten von Elektromotoren 

In der Automobilindustrie gibt es zwei Arten von Wechselstrommotoren: Synchronmotoren und Asynchronmotoren. Bei Elektrofahrzeugen haben sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren ihre jeweiligen Stärken; der eine ist dem anderen nicht unbedingt „überlegen“.

Synchron- und Asynchronmotoren 

Der Asynchronmotor, auch Induktionsmotor genannt, nutzt den mit Strom versorgten Stator, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Dies bewirkt eine ständige Drehung des Rotors, als würde dieser versuchen, das Magnetfeld einzuholen, ohne es jemals einzuholen. Der Asynchronmotor wird häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt, die für lange Strecken und hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind.

Beim Synchronmotor übernimmt der Rotor selbst die Funktion eines Elektromagneten und trägt somit aktiv zur Erzeugung des Magnetfelds bei. Seine Drehzahl ist daher direkt proportional zur Frequenz des Stroms, mit dem der Motor gespeist wird. Der Synchronmotor eignet sich daher ideal für den Stadtverkehr, der in der Regel mit regelmäßigen Stopps und Anfahrten bei niedriger Geschwindigkeit verbunden ist.

Synchron- und Asynchronmotoren arbeiten reversibel, das heißt, sie können während der Verzögerungsphasen mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Dieses Prinzip ist das der regenerativen Bremsung, das auf den Generator zurückgeht.

Die Komponenten von Elektromotoren 

Wenden wir uns nun einigen Komponenten des Motors eines Elektrofahrzeugs zu, wie beispielsweise den Magneten, aber auch den separat erregten Synchronmotoren und ganz allgemein dem Antriebsstrang.

Dauermagnete

Einige Synchronmotoren verfügen über einen Permanentmagnetmotor am Rotor. Diese Permanentmagnete sind in den Stahlrotor integriert und erzeugen so ein konstantes Magnetfeld. Ein Permanentmagnet-Elektromotor hat den Vorteil, dass er ohne Stromversorgung funktioniert. Er erfordert jedoch die Verwendung von Metallen oder Legierungen wie Neodym oder Dysprosium. Diese „Seltenen Erden“ sind ferromagnetisch, was bedeutet, dass sie magnetisiert werden können und sich so in Permanentmagnete verwandeln lassen. Sie werden für vielfältige industrielle Zwecke eingesetzt: in Windkraftanlagen, kabellosen Werkzeugen und Kopfhörern, Fahrraddynamos oder auch in Antriebsmotoren bestimmter Elektrofahrzeuge!

Problem: Die Kosten für diese „Seltenen Erden“ schwanken stark. Anders als ihre Bezeichnung vermuten lässt, sind sie gar nicht so selten, kommen jedoch fast ausschließlich in China vor. Das Land hat daher quasi ein Monopol auf deren Produktion, Verkauf und Vertrieb. Aus diesem Grund unternehmen die Hersteller große Anstrengungen, um alternative Lösungen für die Motoren von Elektrofahrzeugen zu finden.

Synchronmotoren mit unabhängiger Erregung

Eine dieser Lösungen, die Renault seit jeher für seine Elektromodelle – vom ZOE bis hin zu den jüngsten Modellen Renault 5 und Renault 4 E-Tech electric – einsetzt, besteht darin, einen Elektromotormagneten ohne Seltene Erden aus einer Kupferspule herzustellen. Diese Lösung erfordert zwar einen komplexeren industriellen Prozess, vermeidet jedoch Versorgungsprobleme und bewahrt gleichzeitig das hervorragende Verhältnis zwischen dem Gewicht des Motors und dem erzeugten Drehmoment.

Guillaume Faurie, Leiter der Konstruktionsabteilung im Werk Cléon,spricht über die Komplexität und den technischen Einfallsreichtum des Elektromotors mit gewickeltem Rotor: „Die Herstellung eines synchronen Motors mit unabhängiger Erregung erfordert spezielle Wicklungs- und Imprägnierverfahren. Die Anforderungen hinsichtlich der Produktleistung, das Ziel der Verringerung des Gewichts-Leistungs-Verhältnisses und die hohe Produktionsgeschwindigkeit erfordern den effizienten Einsatz modernster Technologien zur Umsetzung dieser Verfahren.“

Der elektrische Antriebsstrang

In einem Elektrofahrzeug ist der Elektromotor, bestehend aus Rotor und Stator, Teil eines größeren Systems: des elektrischen Antriebsstrangs, einer Baugruppe, die den Betrieb des Elektromotors ermöglicht.

In letzterem finden sich auch die elektronischen Leistungsregler:

Schließlich umfasst die Einheit das Getriebe, das die vom Elektromotor übertragene Drehzahl an die Räder anpasst.

Das Zusammenspiel dieser Komponenten gewährleistet einen reibungslosen und effizienten Betrieb des Elektromotors. Das Ergebnis? Ihr Elektroauto ist leise, zuverlässig, kostengünstiger undbietet ein angenehmes Fahrerlebnis!

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