Das Herzstück jedes Elektrofahrzeugs ist der Elektromotor. Doch Elektromotor ist nicht gleich Elektromotor. In der Elektromobilität kommen hauptsächlich zwei Typen zum Einsatz: der Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM) und der Asynchronmotor (ASM), auch Induktionsmotor genannt. Beide haben spezifische Vor- und Nachteile, die ihre Eignung für verschiedene Fahrzeugkonzepte und Leistungsanforderungen bestimmen. Dieser Beitrag beleuchtet die Funktionsweise, Eigenschaften und den Einsatz von PSM und ASM in Elektroautos.
Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM)
Der Permanentmagnet-Synchronmotor ist der am häufigsten verwendete Motortyp in modernen Elektrofahrzeugen. Sein Name leitet sich von den Permanentmagneten im Rotor ab, die ein konstantes Magnetfeld erzeugen, und der synchronen Drehzahl von Rotor und Statorfeld [1].
Funktionsweise
- Stator: Der Stator des PSM ist ähnlich aufgebaut wie bei anderen Elektromotoren und besteht aus Spulen, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, wenn sie mit Wechselstrom versorgt werden.
- Rotor: Im Rotor sind Permanentmagnete verbaut, die ein eigenes, festes Magnetfeld erzeugen. Diese Magnete bestehen oft aus Seltenerdmetallen wie Neodym oder Dysprosium.
- Prinzip: Das rotierende Magnetfeld des Stators zieht die Permanentmagnete des Rotors an und stößt sie ab, wodurch der Rotor in Bewegung gesetzt wird. Rotor und Statorfeld drehen sich synchron, d.h., sie haben immer die gleiche Drehzahl [2].
Vorteile des PSM
- Hoher Wirkungsgrad: PSM sind besonders effizient, insbesondere im Teillastbereich und bei niedrigen Drehzahlen. Dies führt zu einem geringeren Energieverbrauch und somit zu einer höheren Reichweite des Elektrofahrzeugs [3].
- Hohe Leistungsdichte: Sie bieten eine hohe Leistung und ein hohes Drehmoment bei vergleichsweise geringem Bauraum und Gewicht. Dies ist vorteilhaft für die Integration in kompakte Fahrzeugarchitekturen.
- Gute Regelbarkeit: PSM lassen sich sehr präzise regeln, was eine feinfühlige Steuerung des Fahrzeugs und eine effiziente Rekuperation ermöglicht.
- Geringe Verlustleistung: Durch die Permanentmagnete im Rotor entfällt die Notwendigkeit, den Rotor über Strom zu magnetisieren, was die ohmschen Verluste im Rotor reduziert.
Nachteile des PSM
- Kosten und Verfügbarkeit von Seltenerdmetallen: Die Permanentmagnete erfordern oft Seltenerdmetalle, deren Abbau umweltkritisch ist und deren Preise schwanken können. Dies kann die Produktionskosten erhöhen und Abhängigkeiten schaffen.
- Entmagnetisierungsrisiko: Bei sehr hohen Temperaturen oder starken Gegenfeldern können die Permanentmagnete entmagnetisiert werden, was zu einem Leistungsverlust führt.
- Schwierigere Drehzahlregelung bei sehr hohen Drehzahlen: Bei extrem hohen Drehzahlen kann die Regelung des PSM komplexer werden, um die Synchronität aufrechtzuerhalten.
Einsatz im E-Auto
Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer Leistungsdichte werden PSM häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt, die auf maximale Reichweite und Effizienz ausgelegt sind. Viele Hersteller wie Tesla (in neueren Modellen), BMW, Mercedes-Benz, Hyundai und VW setzen auf PSM [4].
Asynchronmotor (ASM) / Induktionsmotor
Der Asynchronmotor, auch Induktionsmotor genannt, ist ein robuster und kostengünstiger Motortyp, der ebenfalls in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt. Er benötigt keine Permanentmagnete im Rotor [5].
Funktionsweise
- Stator: Wie beim PSM erzeugt der Stator ein rotierendes Magnetfeld.
- Rotor: Der Rotor des ASM besteht aus einem Kurzschlusskäfig (Käfigläufer) oder Wicklungen. Er wird nicht direkt magnetisiert, sondern durch Induktion. Das rotierende Magnetfeld des Stators induziert Ströme im Rotor, die wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugen.
- Prinzip: Das induzierte Magnetfeld des Rotors versucht, dem Statorfeld zu folgen. Da der Rotor jedoch immer etwas langsamer dreht als das Statorfeld (daher der Name Asynchronmotor), entsteht ein Schlupf, der für die Induktion der Ströme notwendig ist [6].
Vorteile des ASM
- Robustheit und Kosteneffizienz: ASM sind sehr robust, wartungsarm und in der Herstellung kostengünstiger, da sie keine teuren Permanentmagnete benötigen.
- Keine Seltenerdmetalle: Sie kommen ohne Seltenerdmetalle aus, was sie unabhängiger von kritischen Rohstoffen macht.
- Gute Leistung bei hohen Drehzahlen: ASM können auch bei sehr hohen Drehzahlen eine gute Leistung liefern und sind weniger anfällig für Entmagnetisierung.
- Flexibilität: Sie sind flexibler in der Auslegung für verschiedene Leistungsbereiche.
Nachteile des ASM
- Geringerer Wirkungsgrad im Teillastbereich: Im Vergleich zum PSM haben ASM einen geringeren Wirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich und bei niedrigen Drehzahlen. Dies kann zu einem höheren Energieverbrauch führen.
- Höhere Verlustleistung: Durch die Notwendigkeit, den Rotor über Induktion zu magnetisieren, entstehen im Rotor zusätzliche ohmsche Verluste.
- Größer und schwerer: Für die gleiche Leistung sind ASM tendenziell größer und schwerer als PSM.
Einsatz im E-Auto
ASM werden oft in Elektrofahrzeugen eingesetzt, bei denen Robustheit, Kosten und hohe Leistung bei hohen Drehzahlen im Vordergrund stehen. Tesla hat beispielsweise in seinen älteren Modellen und an der Vorderachse des Model S/X ASM verwendet, während an der Hinterachse PSM zum Einsatz kommen, um die Vorteile beider Motortypen zu kombinieren [7]. Auch Audi setzt in einigen Modellen auf ASM.
Vergleich und Hybridansätze
| Merkmal | Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM) | Asynchronmotor (ASM) |
|---|---|---|
| Rotor | Permanentmagnete | Kurzschlusskäfig (Käfigläufer) oder Wicklungen |
| Seltenerdmetalle | Ja (oft) | Nein |
| Wirkungsgrad | Sehr hoch, besonders im Teillastbereich und bei niedrigen Drehzahlen | Geringer, besonders im Teillastbereich und bei niedrigen Drehzahlen |
| Leistungsdichte | Hoch | Geringer |
| Kosten | Höher (aufgrund von Permanentmagneten) | Geringer |
| Robustheit | Gut | Sehr gut |
| Regelbarkeit | Sehr präzise | Gut |
| Verluste | Gering | Höher (ohmsche Verluste im Rotor) |
| Einsatz | Effizienz- und reichweitenoptimierte Fahrzeuge | Robuste, kostengünstige Fahrzeuge, hohe Drehzahlen |
Einige Hersteller nutzen auch Hybridansätze, indem sie beide Motortypen in einem Fahrzeug kombinieren. Beispielsweise kann ein PSM an der Hinterachse für hohe Effizienz und Reichweite im Normalbetrieb sorgen, während ein ASM an der Vorderachse zusätzliche Leistung und Robustheit für den Allradantrieb oder bei hohen Geschwindigkeiten bietet. Dies ermöglicht es, die jeweiligen Stärken der Motoren optimal zu nutzen und die Nachteile zu minimieren.
Fazit
Die Wahl des Elektromotortyps hat einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften eines Elektrofahrzeugs in Bezug auf Effizienz, Leistung, Kosten und Nachhaltigkeit. Während der Permanentmagnet-Synchronmotor mit seinem hohen Wirkungsgrad und seiner Leistungsdichte in vielen modernen E-Autos dominiert, bietet der Asynchronmotor eine robuste und kostengünstige Alternative, die insbesondere bei hohen Drehzahlen und in Kombination mit PSM ihre Stärken ausspielen kann. Die kontinuierliche Weiterentwicklung beider Motortechnologien sowie innovative Hybridansätze werden die Elektromobilität weiter vorantreiben und zu noch effizienteren und leistungsfähigeren Elektrofahrzeugen führen.
Referenzen
[1] Bosch. (n.d.). Elektromotoren für Elektrofahrzeuge. Retrieved from https://www.bosch-mobility-solutions.com/de/loesungen/elektromobilitaet/elektromotoren/
[2] VDI Wissensforum. (n.d.). Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM). Retrieved from https://www.vdi-wissensforum.de/themen/elektromobilitaet/elektromotoren/permanentmagnet-synchronmotor/
[3] EFAHRER.com. (n.d.). Elektromotor im E-Auto: So funktioniert er. Retrieved from https://efahrer.chip.de/e-autos/elektromotor-im-e-auto-so-funktioniert-er_107069
[4] Tesla. (n.d.). Model 3 Antriebsstrang. Retrieved from https://www.tesla.com/de_DE/model3/design#interior
[5] VDI Wissensforum. (n.d.). Asynchronmotor (ASM). Retrieved from https://www.vdi-wissensforum.de/themen/elektromobilitaet/elektromotoren/asynchronmotor/
[6] Siemens. (n.d.). Asynchronmotoren – Funktionsweise und Aufbau. Retrieved from https://new.siemens.com/global/de/unternehmen/forschung-und-entwicklung/themen/asynchronmotoren.html
[7] Auto Motor und Sport. (n.d.). Tesla Model S: Elektromotoren im Detail. Retrieved from https://www.auto-motor-und-sport.de/elektroauto/tesla-model-s-elektromotoren-im-detail/
Dr. Jens Bölscher ist studierter Betriebswirt mit Schwerpunkt Wirtschaftsinformatik. Er promovierte im Jahr 2000 zum Thema Electronic Commerce in der Versicherungswirtschaft und hat zahlreiche Bücher und Fachbeiträge veröffentlicht. Er war langjährig in verschiedenen Positionen tätig, zuletzt 14 Jahre als Geschäftsführer. Heute ist er als Odoo-Berater tätig. Seine besonderen Interessen sind Innovationen im IT Bereich.
