Wie funktioniert ein Motor im E-Auto?

Elektrofahrzeuge haben einen Elektromotor anstelle eines Verbrennungsmotors. Das Fahrzeug verwendet eine wiederaufladbare Batterie für den Antrieb des Elektromotors und muss deshalb regelmäßig an eine Steckdose oder ein Ladegerät angeschlossen werden. Da ein elektrischer Motor mit Strom betrieben wird und somit keinerlei Abgase ausstößt, werden Elektrofahrzeuge mit Wechselstrom- oder Gleichstrommotor wahrscheinlich schon innerhalb weniger Jahrzehnte Verbrennungsmotoren in Autos ersetzen.

Das Zusammenspiel von Rotor und Stator ist das eigentliche Grundprinzip des Elektromotors

Vereinfacht erklärt, funktioniert ein Induktionsmotor mit Wechselstrom in Elektroautos folgendermaßen:

• Die Batterie ist an den Motor angeschlossen und der Stator (feste Teil) wird über die Autobatterie mit elektrischer Energie versorgt.
• Die Spulen im Stator sind auf gegenüberliegenden Seiten des Statorkerns angeordnet und wirken gewissermaßen als Magnete.
• Wenn die elektrische Energie aus der Autobatterie dem Motor zugeführt wird, erzeugen die Spulen rotierende Magnetfelder, die die leitenden Stäbe an der Außenseite des Rotors (bewegliche Teil) hinter sich herziehen.
• Der sich drehende Rotor erzeugt die mechanische Energie, die benötigt wird, um die Zahnräder sowie die Reifen in Bewegung zu setzen.

 

Anders als Autos mit Verbrennungsmotor besitzen Fahrzeuge mit Elektromotor keine Lichtmaschine. Vielmehr fungiert der Motor im Elektroauto gleichzeitig als Motor und Lichtmaschine. Die Batterie startet den Motor, der Energie an das Getriebe liefert, das die Reifen dreht. Gibt man Gas, wird der Rotor durch das rotierende Magnetfeld mitgezogen. Geht man vom Gaspedal, stoppt das rotierende Magnetfeld und der Rotor beginnt sich schneller zu drehen (im Gegensatz zum Mitziehen durch das Magnetfeld). Wenn sich der Rotor schneller dreht als das rotierende Magnetfeld im Stator, wird durch diesen Vorgang die Batterie wieder aufgeladen. Das wirkt wie eine Lichtmaschine.

Elektromotoren nutzen die Wechselwirkung von Magnetfeldern

Funktionsweise und Grundprinzip jedes Elektromotors sind wechselseitige Anziehung und Abstoßung. Magnetfelder wirken durch die sogenannte Lorentzkraft aufeinander gegenseitig und lassen damit eine Drehbewegung entstehen. Das mithilfe von Stromzufuhr am Außenteil (Stator) des Elektromotors erzeugte Magnetfeld setzt durch Verschiebung den rotierenden Innenteil (Rotor) in Bewegung. Der im Gleichstrommotor zumeist außen liegende, feststehende und magnetisch wirkende Stator kann als Feldmagnet fungieren und mit dem Eisenkern (Anker) im Rotor interagieren, um Bewegung zu erzeugen. Bei Gleichstrommotoren liegen die Feldspulen auf dem Stator und die Stromerzeugungs- oder Antriebsreaktionsspulen auf dem Rotor, weil ein sich stetig bewegender Leistungsschalter (Kommutator) benötigt wird, um das Magnetfeld auf den Rotor auszurichten. Der Kommutator muss mit zunehmender Stromstärke größer und robuster werden.

Die beiden häufigsten Elektromotortypen mit Wechselstrom arbeiten ebenfalls unterschiedlich. Der Asynchron-/Induktionsmotor braucht den Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Magnetfeld des Stators und der Drehzahl des Rotors, um in dessen Wicklung Strom zu induzieren. Somit kann der Induktionsmotor kein Drehmoment in der Nähe der Synchrondrehzahl erzeugen, wo die Induktion irrelevant ist oder nicht mehr existiert. Im Gegensatz dazu ist der Synchronmotor nicht auf Induktion angewiesen und verwendet Permanentmagnete, ausgeprägte Pole oder eine unabhängig erzeugte Rotorwicklung.

Aufgaben und Anforderungen für Elektromotoren mit Gleich- oder Wechselstrom

Gleichstrommotoren haben vergleichsweise einfache Funktionen. Der Motor ist direkt an eine Energiequelle angeschlossen und seine Drehgeschwindigkeit hängt unmittelbar von der Stromstärke ab. Diese Elektromotoren sind zwar leicht herzustellen, erfüllen aber nicht die Anforderungen an Größe, Leistung und Zuverlässigkeit eines Elektroautos. Allerdings können sie Fensterheber, Scheibenwischer und andere kleinere Mechanismen im Pkw antreiben. Die Batterie im Elektroauto funktioniert mit Gleichstrom. Wenn dieser jedoch dem Hauptmotor zugeführt wird, muss die Gleichstromenergie über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Wechselstrommotoren benötigen also eine Schaltung, um den von der Batterie gelieferten Gleichstrom umzuwandeln.

Je nach Einsatzgebiet und Verwendungszweck verfügen Asynchron- und Synchronmotoren über jeweils spezielle Stärken und Schwächen: Besser für Elektroautos geeignet, die lange Zeit mit hohen Geschwindigkeiten fahren sollen, sind Asynchronmotoren. Synchronmotoren eignen sich hingegen sehr gut für den Stadtverkehr, der in der Regel ein regelmäßiges Anhalten und Anfahren bei niedrigen Geschwindigkeiten erfordert. Sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren können beim Abbremsen mechanische Energie in Strom umwandeln. Dies ist das Prinzip des regenerativen Bremsens, das von der Lichtmaschine abgeleitet ist.

Details und Vorzüge der Typen von Elektromotoren für Autos erklärt der Fachmann

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