Wenn Sie daran interessiert sind, tief in die Technologie von Verbrennungsmotoren einzutauchen, müssen Sie darauf vorbereitet sein, mit vielen verschiedenen Konzepten bombardiert zu werden. Saugmotoren, Turbomotoren, Direkteinspritzung, indirekte Einspritzung oder sowohl direkte als auch indirekte Einspritzung! Benzin, Diesel, CNG, LPG, Atkinson-Zyklus, Miller-Zyklus, Budack-Zyklus, Diesel- und Otto-Zyklus (siehe Mazda Skyactiv-X-Motor), Turbo mit fester Geometrie, Turbo mit variabler Geometrie, Twin-Scroll-Turbo, variable Nockenwellensteuerung … die Liste geht weiter.
Die Frage, die sich fast automatisch stellt, ist: Warum gibt es so viele Konstruktionen und Konzepte für Verbrennungsmotoren? Die Antwort ist einfach: Keine davon ist aus Effizienzsicht gut genug. Um die Effizienz zu verbessern, haben Ingenieure im Laufe der Automobilgeschichte zahlreiche Konstruktionen eingeführt. Ist diese Designvielfalt auch für die Elektromotoren relevant? Wie viele Antriebsarten gibt es in der E-Mobilität? Die Antwort sind nur drei Hauptfragen. Machen wir uns mit ihnen bekannt.
Asynchroner Induktionsmotor – Kurze Geschichtsstunde
Der asynchrone Induktionsmotor ist nichts Neues. Es wurde von zwei unabhängigen Forschern erfunden – dem einzigen und einzigartigen Nikola Tesla und Galileo Ferraris. Obwohl der italienische Erfinder diesen Motor offenbar erstmals 1885 entwickelte, meldete Nikola Tesla 1888 als Erster das Patent an.
Die Erfindung des Induktionsmotors ist zweifellos eine der größten Errungenschaften bei der Nutzung von Elektrizität als Antrieb für unser Leben. Die Verbreitung dieses Motortyps ist heutzutage so weit verbreitet, dass er aus dem Alltag kaum noch wegzudenken ist. Viele elektrische Geräte verwenden diese Motoren und die überwiegende Mehrheit der Industriemotoren sind asynchrone Induktionsmotoren.
Wie funktioniert ein Asynchron-Induktionsmotor?
Alle Elektromotoren bestehen aus zwei Hauptteilen. Ein statisches Teil wird Stator und ein rotierendes Teil Rotor genannt. Beginnen wir mit dem Stator – normalerweise ein Stahlzylinder mit Schlitzen und Kupferspulen, die mit einer bestimmten Geometrie verflochten sind. Diese Spulen werden mit 3-Phasen-Wechselstrom gespeist, der in der Leistungselektronik aus Gleichstrom (bereitgestellt von der Batterie) umgewandelt wurde. Dieser Strom erzeugt im Stator ein rotierendes Magnetfeld und die Geschwindigkeit dieses rotierenden Magnetfelds wird Synchrongeschwindigkeit genannt.
Im Wesentlichen funktioniert dieser Motortyp wie folgt: An die Kupferspulen (oder Wicklungen) wird Wechselspannung angelegt, wodurch ein rotierendes Magnetfeld entsteht. Dieses Feld induziert Spannung im Rotor, die wiederum einen Stromfluss verursacht. Dieser Stromfluss erzeugt im Rotor ein eigenes rotierendes Magnetfeld, das dem Magnetfeld des Stators nacheilt. Die Kraft zwischen den beiden Magnetfeldern, die letztendlich den Rotor bewegt, wird Lorentzkraft genannt. Durch die entsprechende Untersetzung wird die Bewegung des Rotors dann auf die Räder des Wagens übertragen.
Dieser Motor wird als Asynchronmotor bezeichnet, da die rotierenden Magnetfelder von Rotor und Stator nicht synchronisiert sind. Der Induktionsanteil entsteht durch das rotierende Magnetfeld, die Spannung und den Strom, die vom Stator induziert werden. Wenn wir das Gaspedal betätigen, bleibt das Magnetfeld des Rotors etwas hinter dem des Stators zurück. Wenn wir abbremsen und der Motor als Generator arbeitet (regeneratives Bremsen), liegt das rotierende Magnetfeld des Rotors vor dem Stator. Dieser Unterschied in den rotierenden Magnetfeldern wird „Schlupf“ genannt und beträgt je nach Motorkonstruktion im Allgemeinen bis zu 5 %.
Der typische Wirkungsgrad eines 3-Phasen-Asynchron-Induktionsmotors, der in der Automobilindustrie eingesetzt wird, liegt bei etwa 90 %. Aufgrund seiner Robustheit, Einfachheit, Langlebigkeit und dem Verzicht auf exotische Materialien wird dieser Motor fast ausschließlich in industriellen Prozessen eingesetzt. Darüber hinaus ist er aufgrund seiner guten Überlasteigenschaften ein perfekter On-Demand-Motor und wird daher häufig als Frontmotor in Allrad-Elektroautos eingesetzt.
Einige der Autos, die asynchrone Induktionsmotoren verwenden, sind: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, XandY an Vorderachsen und MEB-Fahrzeuge der VW-Gruppe verwenden sie auch an Vorderachsen.
Synchroner Permanentmagnetmotor
Der grundlegende Unterschied zwischen Asynchron-Induktionsmotoren und Synchron-Permanentmagnetmotoren besteht in der Art und Weise, wie die rotierenden Magnetfelder im Rotor und im Stator erzeugt werden und interagieren. Bei synchronen Permanentmagnetmotoren gibt es ein natürliches rotierendes Magnetfeld, das durch Permanentmagnete (daher der Name des Motors) im Rotor erzeugt wird. Bei diesen Motoren sind die rotierenden Magnetfelder von Rotor und Stator blockiert und es entsteht kein Schlupf.
Die Permanentmagnete im Rotor sind eines der Schlüsselelemente, die die Leistungsdichte erhöhen und den Wirkungsgrad des Motors verbessern. Die erhöhte Leistungsdichte bedeutet hohe Leistung bei geringem Volumen, weshalb in PHEVs ausschließlich Permanentmagnetmotoren zum Einsatz kommen. Der Elektromotor ist bei diesen Fahrzeugen im Getriebe untergebracht und es gibt Platzbeschränkungen.
Permanentmagnete werden aus Seltenerdmaterialien hergestellt, wobei China den Großteil davon kontrolliert. Es gibt Fragen zu den ethischen Aspekten des Bergbauprozesses und aus diesem Grund versuchen viele Hersteller, den Einsatz dieser Materialien in ihren Motoren zu reduzieren. Nichtsdestotrotz ist der Permanentmagnet-Synchronmotor der König der Effizienz – er kann bis zu 94–95 % erreichen, und wenn nur ein Motor im Auto vorhanden ist, wird dieser Motortyp verwendet.
Permanentmagnetmotoren kommen im Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X und Y an den Hinterachsen zum Einsatz. MEB-Fahrzeuge des VW-Konzerns verwenden sie auch an den Hinterachsen, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT und Porsche Taycan, um nur einige zu nennen.
Synchronmotor, der elektrisch erregt wird
Permanentmagnet-Synchronmotoren bieten den höchsten Wirkungsgrad, ihre Abhängigkeit von Seltenerdelementen gibt jedoch Anlass zur Sorge. Um dieses Problem anzugehen, haben sich Hersteller wie BMW, RenaultGroupe und Smart einer Hybridmotorarchitektur zugewandt – Synchronmotoren, die nicht auf Seltenerdmagneten basieren.
Wie funktionieren diese Maschinen? Anstelle von Permanentmagneten im Rotor zur Flusserzeugung nutzen sie Bürsten und Schleifringe. Laut BMW erreicht ein solcher Motor einen Wirkungsgrad von bis zu 93 %, was dem Wirkungsgrad von Permanentmagnetmotoren sehr nahe kommt. Obwohl das Konzept vielversprechend aussieht, bedeutet die Einbeziehung von Bürsten, dass diese irgendwann ersetzt werden müssen. Es ist zu hoffen, dass die Hersteller, die diesen Motortyp entwickeln, Bürsten mit einer ausreichend langen Lebensdauer auswählen.
Dieses Motordesign kommt im BMW iX3, iX und i4 zum Einsatz; der Renault Megane E-TECH; und der Smart EQ.
