Wie funktioniert ein Elektromotor? Die Technik im Überblick
Die Elektromobilität markiert einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie wir uns fortbewegen. Im Zentrum dieser Entwicklung steht der Elektromotor, der sich in den letzten Jahren als Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren etabliert hat. Mit immer besseren Fahrleistungen und kontinuierlicher Weiterentwicklung spielt er eine entscheidende Rolle für die nachhaltige Mobilität von morgen. Doch wie funktioniert ein Elektromotor eigentlich? Dieser Beitrag beleuchtet die Funktionsweise, verschiedene Motortypen und weitere Aspekte dieser innovativen Technologie.
Aufbau eines Elektromotors
Ein Elektromotor in einem Elektrofahrzeug besteht aus mehreren wichtigen Komponenten, die zusammenwirken, um die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie zu ermöglichen. Zu diesen gehören:
- Stator: Der statische Teil des Motors, durch den das Magnetfeld generiert wird.
- Rotor: Ein sich drehender Bestandteil, der durch das Magnetfeld bewegt wird und so die mechanische Drehbewegung erzeugt.
- Lagersystem: Dient zur Gewährleistung der gleichmäßigen Drehung des Rotors.
- Kommutator (bei bestimmten Motortypen): Sorgt dafür, dass die Stromrichtung regelmäßig wechselt, um die Drehbewegung aufrechtzuerhalten.
- Leistungselektronik: Steuert den Stromfluss und gewährleistet so, dass dem Elektromotor die erforderliche Menge an Strom zugeführt wird.
- Bürsten: Stellen den Kontakt zwischen der Stromquelle und dem Kommutator her, sodass der elektrische Strom fließen kann und der Stromkreis geschlossen wird.
- Akkumulator (Batterie): Das Hauptelement zur Versorgung und Speicherung der elektrischen Energie für den Betrieb des Motors:
- Kühlsysteme: Werden zur Temperaturregulierung der verschiedenen Komponenten eingesetzt.
- Batteriemanagementsystem: Kontrolliert den Zustand der Batterie und stellt einen sicheren und zuverlässigen Einsatz sicher.
In modernen Elektrofahrzeugen hat sich die sogenannte „Skateboard-Architektur“ als Standard etabliert – auch die von Audi eingesetzte Premium Platform Electric (PPE) basiert auf dieser Konstruktion. Bei dieser Bauart wird die Batterie mittig im Fahrzeugunterboden zwischen den Achsen positioniert. Der Elektromotor und die Leistungselektronik befinden sich dabei an der Vorder- oder Hinterachse. Auf diese „Skateboard“-Konstruktion wird dann die Karosserie gestellt. Diese Anordnung bietet zahlreiche Vorteile, z. B. einen niedrigen Schwerpunkt, der eine bessere Fahrstabilität gewährleistet, sowie eine intelligentere Nutzung des verfügbaren Raums im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Gleichzeitig wird die Sicherheit des E-Fahrzeugs erhöht, da der Akku in einem geschützten Bereich zwischen den Achsen liegt.
Die Funktionsweise: Elektromagnetismus als treibende Kraft
Das grundlegende Funktionsprinzip des Elektromotors in E-Fahrzeugen basiert auf dem Elektromagnetismus, der die Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen und den dabei erzeugten elektromagnetischen Feldern nutzt. Diese Reaktion macht sich der Elektromotor zunutze: Der Stator erzeugt ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld des Rotors kollidiert. Dabei ziehen sich ungleichnamige Pole an, während sich gleichnamige Pole abstoßen – dieses Wechselspiel aus Anziehung und Abstoßung sorgt schließlich dafür, dass sich der Rotor kontinuierlich dreht.
Um die Drehbewegung des Rotors kontinuierlich aufrechtzuerhalten, muss die Stromrichtung in den Spulen des Rotors regelmäßig umgekehrt werden. Dies geschieht durch einen Kommutator (auch Kollektor genannt), der dafür sorgt, dass der Stromfluss immer dann umgekehrt wird, wenn der Rotor eine bestimmte Position erreicht. Schließlich wird die elektrische Energie (die durch den Strom in den Wicklungen des Rotors erzeugt wird) in mechanische Energie (die Drehbewegung des Rotors) umgewandelt. In den meisten Elektromotoren, wie sie heute in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, kommt anstelle eines mechanischen Kommutators eine Leistungselektronik zum Einsatz. Diese ermöglicht eine genauere Steuerung der Stromrichtung und -stärke und gewährleistet so eine noch effizientere Energienutzung während des Fahrbetriebs.
Verschiedene Motortypen in Elektroautos: Eine Übersicht
In Elektrofahrzeugen kommen verschiedene Motortypen zum Einsatz, die sich in ihrer Funktionsweise unterscheiden und je nach Einsatzgebiet und Fahrzeuganforderung ausgewählt werden. Die wichtigsten Typen sind:
Asynchronmotor (Induktionsmotor)
Ein weit verbreiteter Motortyp in Elektrofahrzeugen ist der Asynchronmotor, auch Induktionsmotor genannt. Er funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, bei dem ein elektrisches Feld erzeugt wird, wenn sich das magnetische Feld ändert. Ein großer Vorteil des Asynchronmotors besteht darin, dass er keine Permanentmagnete benötigt. Er zeichnet sich durch hohe Robustheit und geringe Verluste im Leerlauf aus. Zum Starten des Motors ist ein externer Mechanismus, z. B. ein Inverter, erforderlich, der die notwendige Energiezufuhr sicherstellt.
Permanenterregter Synchronmotor
Ein weiterer häufiger Motortyp ist der permanenterregte Synchronmotor (PSM), welcher auch bei den Audi e-tron Modellen zum Einsatz kommt. Dieser Motor enthält Permanentmagnete im Rotor, die sich synchron mit dem Magnetfeld des Stators bewegen. Dadurch erreicht der PSM eine hohe Effizienz und eine hohe Leistungsdichte. Besonders bei geringer Last arbeitet er sehr effizient und lässt sich präzise steuern. Aufgrund seiner Komplexität erfordert der PSM jedoch eine spezielle Steuerung, um die Synchronisation aufrechtzuerhalten
Welche Vorteile bietet ein Elektromotor im Vergleich zu Verbrennungsmotoren?
- Schnelle Beschleunigung: Durch die sofortige Bereitstellung des Drehmoments ermöglicht der Elektromotor eine besonders schnelle und gleichmäßige Beschleunigung ohne schaltungsbedingte Verzögerungen.
- Weniger wartungsintensiv: Elektrisch betriebene Motoren verfügen über weniger bewegliche Teile als Verbrennungsmotoren und sind daher weniger wartungs- und verschleißanfällig.
- Höherer Wirkungsgrad: Elektromotoren setzen einen größeren Anteil der Energie aus der Batterie in Bewegung um, wodurch die Energie insgesamt besser genutzt wird.
- Umweltfreundlicher: Im Fahrbetrieb werden keine CO2-Emissionen oder schädliche Abgase freigesetzt, die gewöhnlich mit Verbrennungsmotoren verbunden sind.
- Höherer Fahrkomfort: Fahrzeuge mit Elektromotoren verursachen deutlich weniger Geräusche und tragen so zu einem angenehmeren und vibrationsreduzierten Fahrerlebnis bei.
Die Technologie des Elektromotors bildet eine raffinierte Symbiose aus Präzision und Nachhaltigkeit. Mit einem unübertroffenen Wirkungsgrad und nahezu geräuschlosen Betrieb bieten Elektromotoren nicht nur eine leistungsstarke Alternative zu Verbrennungsmotoren, sondern leisten auch einen entscheidenden Beitrag zum Umweltschutz und zur Reduzierung von Emissionen. Die Kombination aus technischer Höchstleistung und innovativer Energiegewinnung unterstreicht die zentrale Rolle des Elektromotors als Fundament für die Mobilität der kommenden Jahrzehnten und schafft ein solides Fundament für die Zukunft der Elektroautos.