E-Motoren Leise, aber nicht langweilig

Ihr Klang ist zwar weniger faszinierend als der von manchen Verbrennern, aber sie haben dafür ein beeindruckendes Beschleunigungsvermögen. Sie brauchen zudem weniger Energie und werden immer besser: die E-Motoren.

Elektromotoren sind bekanntlich nicht so emotionsgeladen wie Verbrenner – insbesondere, wenn es sich um Sechs- oder Achtzylinderaggregate handelt. Dabei ermöglichen die E-Maschinen durchaus Fahrleistungen, die einem ein Grinsen ins Gesicht zaubern können, und das mit äußerst effektivem Energieeinsatz. Es ist die Geräuschkulisse, die viele vermissen. Dabei sollte doch inzwischen die Effizienz den Klang schlagen – vor allem, wenn damit kaum Einbußen bei den Fahrleistungen verbunden sind. Und die E-Motoren werden immer noch besser. Dabei haben sie bereits eine längere Entwicklungszeit hinter sich als die Verbrennungsmotoren. Das erste Patent auf einen Elektromotor erhielt Thomas Davenport bereits 1837 in den USA. Das Grundprinzip, auf dem alle E-Motoren basieren, hat sich seitdem nicht geändert: Es basiert auf der magnetischen Wirkung des elektrischen Stroms.

Immer noch große Entwicklungsschritte möglich

Bei solche einer langen Historie müssten diese Aggregate doch bereits ausentwickelt sein, zumal das Grundprinzip bei allen E-Motoren gleich ist: Es basiert auf der magnetischen Wirkung des elektrischen Stroms. Doch es sind immer noch deutliche Entwicklungsschritte möglich.

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Alle Motoren, die Autos antreiben, sind Drehstrommotoren. Sie haben einen feststehenden Stator, der über Spulen und Wechselströme ein drehendes Magnetfeld erzeugt. Die Motoren unterscheiden sich einzig darin, wie im Rotor ebenfalls Magnetfelder entstehen, die von den Statorfeldern angezogen bzw. abgestoßen werden und den Rotor dadurch in eine Drehbewegung versetzen. Die Magnetfelder der Rotoren lassen sich durch Permanentmagnete, Elektromagnete oder Induktionsströme erzeugen. Durch dieses Grundprinzip nutzen Elektromotoren die Energie schon immer direkt, ohne sie thermodynamisch umwandeln zu müssen. Daher ist ihr Wirkungsgrad deutlich höher als der von Verbrennungsmotoren.

Trotz der langen Geschichte von E-Motoren finden die Entwickler immer noch Möglichkeiten, den Wirkungsgrad der Aggregate zu verbessern und damit ihren Verbrauch zu reduzieren. Das ist gerade für E-Autos besonders wertvoll, denn je besser der Wirkungsgrad ist, desto größer ist die Reichweite bei gleicher Batteriegröße. Kühlung, Reibung, Wicklungsaufbau und die Güte der Magnetfelder sind hier die wichtigsten Hebel der Ingenieure.

Natürlich gehören zu einem effizienten E-Auto-Antrieb immer auch eine effiziente Leistungselektronik und eine gute Aerodynamik. Denn trotz eines Motors mit hohem Wirkungsgrad kann der Verbrauch hoch sein, wenn die anderen Einflussfaktoren diesen Effekt wieder zunichtemachen. In diesem Beitrag soll es aber nur um die Motorentechnik gehen.

Meist mit Magneten

Meist nutzen die Hersteller in den E-Autos bisher permanenterregte Synchronmotoren. Denn diese lassen sich sehr kompakt bauen und sie haben einen hohen Wirkungsgrad. Andere Bauformen, die sich eignen, sind Asynchronmotoren und fremderregte Synchronmotoren.

Diese beiden Varianten brauchen zwar meist mehr Platz, kommen aber ohne Permanentmagneten aus und damit ohne die teuren seltenen Erden, die als Magnetwerkstoffe eingesetzt werden. Sie haben zusätzlich den Vorteil, dass man sie komplett abschalten kann. Denn wenn bei ihnen kein Strom mehr fließt, baut sich auch kein Magnetfeld im Rotor auf und sie laufen im Leerlauf, ohne den Fahrwiderstand zu erhöhen. Das ist bei Allradantrieben hilfreich. Motoren mit Permanentmagneten können zwar auch widerstandsarm mitlaufen, dafür ist aber eine aufwendige Regelung notwendig.

Asynchronmotoren sind deutlich billiger als Synchronmaschinen. Sie haben aber konstruktionsbedingt nur einen Wirkungsgrad von 75 bis 80 Prozent – im Gegensatz zu Synchronmaschinen, die inzwischen Wirkungsgrade von 90 Prozent und mehr bieten, und zwar unabhängig davon, ob sie fremd- oder permanenterregt sind. Entwicklungen in Richtung hocheffizienter E-Motoren betreffen darum fast immer Synchronmotoren.

 Motor im Rad 

Eine interessante Konstruktion ist in diesem Zusammenhang der Radnabenmotor des Münchner Start-ups Deep Drive. Die Idee, Elektromotoren in den Radnaben zu integrieren, ist ebenfalls schon sehr alt. Ferdinand Porsche hatte sie schon im Jahr 1900 in seinem Modell „Semper Vivus“ verwirklicht. Jedoch waren Radnabenmotoren bisher immer deutlich teurer als Konstruktionen, die nicht direkt im Rad sitzen.

Denn die Leistung eines E-Motors ist vereinfacht gesagt auf Drehmoment und Drehzahl zurückzuführen. Eine hohe Drehzahl lässt sich relativ kostengünstig erreichen. Für ein hohes Drehmoment braucht man dagegen viel Strom und damit dicke Kabel sowie eine teure Leistungselektronik. Und wo viel Strom fließt, entstehen auch hohe Verluste. Das ganze führt zu einem hohen Preis. Darum holen sich die meisten Hersteller die Leistung der E-Motoren lieber aus einer hohen Drehzahl mit so wenig Drehmoment wie möglich. Das ist mit einem Radnabenmotor nicht möglich, da dieser sich nur so schnell drehen darf wie das Rad – bei
160 km/h sind das, je nach Größe des Rades, ca 1240 min^-1. Antriebsmotoren, die nicht direkt am Rad sitzen, können in den Autos etwa 10 Mal so schnell drehen, weil sie zusätzlich ein Getriebe haben. Bei herkömmlichen Konstruktionen von Radnabenmotoren erhöht beispielsweise eine Verdoppelung des Drehmomentes die Kosten gleich um das Vierfache. Zwar haben schon viele Hersteller und Zulieferer mit solchen Antrieben experimentiert, in die Großserie haben sie diese aber bisher nie übernommen.

Motor mit Doppelrotor

Die Deep-Drive-Konstruktion ist hier anders. Denn das Start-up verwendet einen Doppelrotor. Bei diesem Konzept treibt der Stator sowohl einen innen- als auch einen außenliegenden Rotor gleichzeitig an. Das ermöglicht kompakte Motoren mit hohem Drehmoment und sehr hoher Effizienz. Die Motoren können beispielsweise auf ein Getriebe verzichten und haben folglich auch nicht die Verluste, die dort zwangsläufig durch Zahnräder und Öl entstehen. Eine Verdoppelung des Drehmomentes verursacht hier laut Unternehmensangaben nur die doppelten Kosten. Dank des hohen Drehmomentes reichen zudem zwei Motoren für den Antrieb eines Autos. Bei vielen anderen Konstruktionen wären vier Motoren notwendig gewesen, um geforderte Fahrleistungen zu erreichen.

Und die Motoren sind leicht. Laut Unternehmensangaben wiegen Motoren, die ein Drehmoment von 1500 Nm haben, inklusive Leistungselektronik 30 Kilogramm, und solche, die ein Drehmoment von 2500 Nm haben, 35 Kilogramm. Das Konzept ist für Hersteller und Zulieferer so interessant, dass derzeit sowohl Continental als auch BMW mit Deep Drive zusammenarbeiten, um den Aggregaten zur Serienreife zu verhelfen.

Alles in allem soll der Motor um etwa 20 Prozent effizienter sein als konventionell angeordnete Synchronmotoren mit gleicher Leistung. Außerdem sollen die Konstrukteure mehr Freiraum bekommen, um zum Beispiel Batterien im Auto unterzubringen. Von der Kostenseite her soll eine Konstruktion mit zwei Radnabenmotoren an der Hinterachse etwa genauso teuer sein wie ein herkömmlicher, zentraler Antrieb. Das Auto soll damit aber leichter, effizienter und agiler werden – wenn das kein Argument für diesen Antrieb ist.

Herkömmlich, aber effizient

Das man auch herkömmliche Konstruktionen sehr effizient auslegen kann, hat Volkswagen mit dem Antriebsstrang des ID.7 gezeigt. Dieses fünf Meter lange und 2,1 Tonnen schwere Auto kann man im Alltag sparsamer fahren als manch kleineres und leichteres Kompaktfahrzeug. Ein Verbrauch von 11,5 kWh pro 100 Kilometer auf Stecken, die über Landstraßen und durch Städte führen ist problemlos zu erreichen – das entspricht in etwa der Energiemenge, die in 1,2 Liter Dieselkraftstoff steckt.

Ein wesentliches Bauteil des Antriebsstranges ist der neue permanenterregte E-Motor App550. Seine Leistung und das maximale Drehmoment sind mit 210 kW (286 PS) und 550 Nm durchaus üppig. Das hohe Drehmoment haben die Entwickler laut Unternehmensangaben durch einen Stator mit hoher effektiver Windungszahl und großem Drahtquerschnitt erreicht. Der Rotor als Gegenstück ist mit starken und hoch belastbaren Permanentmagneten ausgerüstet. Das VW-Konzept zeigt, dass ein guten Motor allein noch nicht ausreicht. Denn maßgeblich entscheidend für Leistung eines Elektroantriebs ist die Stromstärke. Deshalb haben die Wolfsburger zusätzlich einen Pulswechselrichter entwickelt, der hohen Phasenströme ohne große Verluste be3reitstellen kann. Und auch das Thermomanagement haben die Entwickler so ausgelegt, dass der Antrieb möglichst effizient arbeiten kann. So besitzt der Antrieb eine energiesparende Kühlung, die ohne elektrisch angetriebene Ölpumpe auskommt. Das System kann sich über die Zahnräder des Getriebes sowie speziell geformte Bauteile, die das Öl weiterleiten und verteilen, selbstständig kühlen. Das erwärmte Öl kühlt anschließend der Kühlkreislauf des Fahrzeugs. Das hält den Antrieb auf Betriebstemperatur. Die Außenseite des Stators hat zusätzlich einen Wasserkühlmantel.

 Effiziente Kühlung 

Ein gutes Kühlkonzept verhilft auch dem fremderregten MCT-Synchronmotor von Mahle zu einer hohen Effizienz. MCT steht für Magnet-free Contactless Transmitter. Außerdem hat Mahle mit einer kontaktlosen, weil induktiven Stromübertragung auf den Rotor einen großen Nachteil der fremderregten Motoren beseitigt. Da solche Motoren im Rotor nicht mit Permanentmagneten, sondern mit Elektromagneten arbeiten, müssen diese trotz der Rotation zuverlässig mit Strom versorgt werden. Das erfolgte in der Vergangenheit mit Schleifkontakten, die einerseits mit der Zeit verschleißen und andererseits die Reibung im Motor erhöhen. Außerdem brauchen sie relativ viel Platz.

Die kontaktlose Energieübertragung macht den MCT E-Motor aber nicht nur verschleißfrei. Er ist nach Angaben von Mahle zudem sehr drehzahlfest und kompakt, da das Schleifring-Bürsten-System wegfällt. Dank einer direkten Ölkühlung können die Mahle-Motoren zudem 90 Prozent ihrer Spitzenleistung auch als Dauerleistung abrufen. Das ist laut Unternehmensangaben mit herkömmlichen Kühlmethoden nicht möglich. Denn auch bei E-Motoren erzeugt ein steigender Leistungsbedarf mehr Wärme im System. Viele herkömmlich gekühlte Motoren können daher nur für kurze Zeit Höchstleistungen abrufen und müssen im Dauerbetrieb ihre Leistung auf rund 40 bis 60 Prozent ihrer Spitzenleistung reduzieren. Nur so lassen sich kritische Bauteil­temperaturen vermeiden, die die Lebensdauer verkürzen oder Schäden verursachen können.

Ein ähnlicher Motor ist ebenfalls bei ZF in der Entwicklung. Auch hier ermöglichen die induktive Energieübertragung auf den Rotor und eine direkte Ölkühlung kompakte Ab­maße und eine hohe Drehmomentdichte.

Wenn diese Motoren den Serienanforderungen standhalten, ermöglichen sie nicht nur eine deutlich umweltfreundlichere Herstellung, sondern auch eine Unabhängigkeit von China, das die größten Vorkommen von Seltenen Erden besitzt. 

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