Schlagwort: Fremderregter Synchronmotor

Die Vielfalt an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen ist enorm. Beim Elektromotor ist die Sache viel übersichtlicher, und doch gibt es auch hier verschiedene Konzepte mit Vor- und Nachteilen. Ein paar Magnete, Kupfer und eine Welle zur Kraftübertragung: Im Vergleich zu einem modernen Diesel- oder Benzinmotor ist der Aufbau eines Elektromotors erstaunlich einfach. Im Prinzip funktionieren die Maschinen in einem Elektroauto alle mit einer ähnlichen Technologie. Im Detail gibt es jedoch einige Unterschiede, die Autokäufer kennen sollten.

In den heutigen Autos haben sich drei Unterarten von Elektromaschinen durchgesetzt. Sie werden fast alle mit Wechsel- oder Drehstrom betrieben. Allen gemeinsam ist die Grundstruktur aus einem feststehenden magnetischen Stator und einem beweglichen Rotor (oder „Läufer“), der letztendlich die Räder des Autos in Bewegung setzt. Damit sich der Rotor dreht, muss er ein Magnetfeld haben, das vom Magnetfeld des Stators angezogen wird. Kurz bevor sie aufeinandertreffen, verschiebt sich das Feld des Stators und zwingt den Rotor, sich ebenfalls zu bewegen.

Der fremderregte Synchronmotor

Der permanent erregte Synchronmotor (PSM) ist heute der am häufigsten verwendete Motor für den Antrieb von Elektroautos. „Permanent“ deshalb, weil der Rotor seine eigenen Magnete besitzt, die ein permanentes Magnetfeld erzeugen. Bei der fremderregten Version (FSM) ist dies nicht der Fall. In diesem Fall wird das Magnetfeld vorübergehend durch Strom erzeugt, d. h. durch einen Elektromagneten.
Dieser ist wesentlich günstiger herzustellen als Permanentmagnete aus seltenen Erden, weshalb diese Technologie besonders für preissensible Elektroautos interessant ist. Oder für solche, bei denen es nicht auf extreme Fahrleistungen ankommt. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sie bei Kleinwagen wie dem Renault Zoe die erste Wahl der Entwickler war. Und auch der aktuelle e-Smart baut auf dieser Technologie auf.

Permanenterregter Synchronmotor

Andere Hersteller halten die teureren Permanentmagnetmotoren für die bessere Alternative. Diese bieten nämlich Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrads und der Leistungsdichte. Genau diese Punkte sind es, die den permanenterregten Synchronmotor trotz seiner höheren Kosten für viele Hersteller interessant machen.
Denn sie ermöglichen aufgrund ihres sparsamen Energieeinsatzes eine größere Reichweite bei gleicher Batteriekapazität und benötigen zudem einen vergleichsweise geringen Bauraum. Daher findet man PSM in fast allen Hybridfahrzeugen, die unter ihrer engen Motorhaube auch einen Verbrennungsmotor unterbringen müssen. Sie werden auch in den meisten aktuellen reinen Elektroautos wie dem BMW i3, dem Porsche Taycan und dem VW ID.3 verwendet.

Der Asynchronmotor

Neben den beiden Arten von Synchronmotoren gibt es noch eine dritte Variante des Elektromotors: den Asynchronmotor. Während bei Synchronmotoren die Magnetfelder von Strator und Rotor mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren, ist beim Asynchronmotor (ASM) der Rotor etwas nachlaufend. Das sehr robuste Gesamtkonzept ist etwas einfacher und kommt ohne komplexe Steuerung und teure Permanentmagnete aus. Im Gegenzug fehlt es dem ASM an Effizienz. Außerdem ist er relativ schwer und laut.
Aber er hat einen großen Vorteil: Er kann jederzeit abgeschaltet werden. Wenn der Strom abgeschaltet wird, läuft er im Leerlauf und verbraucht keine Energie. Die Permanentmagnete des PSM hingegen können nicht abgeschaltet werden. Wenn der Motor das Auto nicht aktiv antreibt, wirkt er eher wie ein Dynamo und gewinnt ständig Energie zurück. Und das ist nicht immer wünschenswert, denn diese Form der Energiegewinnung ist nur dann effizient, wenn die Energie ansonsten beim Bremsen in Form von Wärme verloren geht. Das ist aber nicht der Fall, wenn man gleichmäßig auf der Autobahn „segelt“ – hier wird die Energie genutzt, um vorwärts zu kommen.

ASM spielen daher vor allem bei teuren E-Mobilen für lange Strecken eine wichtige Rolle. Hier kommt ein weiterer Vorteil zum Tragen: Der Asynchronmotor kann kurzzeitig überlastet arbeiten und so einen Boost-Effekt erzeugen – was vor allem bei sportlich positionierten E-Mobilen der Premiumklasse interessant ist. ASM sind daher unter anderem im Audi E-Tron und im Mercedes EQC zu finden. Tesla verwendet es auch im Model S und X, allerdings in Kombination mit dem PSM, der vor allem abseits der Autobahn effizienter ist.

In Zukunft dürfte diese Art der Arbeitsteilung auch in anderen Modellen zu finden sein. So sind Antriebe möglich, die einen permanenterregten Synchronmotor für die Grundlast verwenden, der gegebenenfalls auch die Rekuperation übernimmt. Der Asynchronmotor wird nur dann hinzugeschaltet, wenn zusätzliche Leistung benötigt wird oder wenn bei einem Fahrzeug mit Allradantrieb die zweite Antriebsachse erforderlich ist. Wird er nicht mehr benötigt, wird er einfach von der Stromversorgung getrennt und läuft ohne Schleppverlust mit.