Ähnlich wie bei den Verbrennungsmotoren, die mit Kraftstoffen wie Diesel oder Benzin funktionieren, gibt es auch bei Elektromotoren unterschiedliche Antriebstechniken. Grundsätzlich wird dabei zwischen Gleich- und Wechselstrommotoren unterschieden, die sich in ihrem Aufbau und der Funktionsweise zum Teil erheblich voneinander unterscheiden. Doch wie funktionieren die Motoren genau und welche davon kommen bevorzugt in Elektroautos zum Einsatz? Die Antworten darauf gibt es hier.
Der Gleichstrommotor wurde zuerst erfunden
Historisch betrachtet gibt es den Gleichstrommotor bereits wesentlich länger als den Wechselstrommotor. Diese Motoren sind grundsätzlich sehr einfach aufgebaut: Der unbewegliche sogenannte „Stator“ (umgangssprachlich auch als Erregerspule oder Permanentmagnet bezeichnet) sorgt dabei für die Erzeugung eines magnetischen Feldes, in dem sich der bewegliche „Rotor“ befindet.
Wird die Maschine nun an eine Gleichstromquelle angeschlossen, erzeugt der meist mit Kupferdrähten umwickelte Rotor ein elektromagnetisches Feld und beginnt sich zu drehen. Damit diese Drehbewegung aufrechterhalten werden kann, war ursprünglich zusätzlich ein „Kommutator“ (bzw. Polwender) erforderlich, der dafür sorgte, dass das Rotorfeld regelmäßig umgepolt wird.
Bei den heutigen Gleichstrommotoren erfolgt die Kommutierung jedoch elektronisch mit Hilfe von Mikroprozessoren. Da hierfür keine Bürsten mehr benötigt werden, wird diese Form des Motors auch als bürstenloser Gleichstrommotor bezeichnet. Dieser zeichnet sich vor allem durch seine Wartungsfreiheit und geringere Wärmeentwicklung aus und gelten als sehr langlebig. Beliebte Anwendungsfälle sind Akkuschrauber und alle akkubetriebenen Garten- und Haushaltsgeräte.
Die Funktionsweise von Wechselstrommotoren
Wechselstrommotoren haben gegenüber Gleichstrommotoren einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Allerdings ist auch die Funktionsweise dieser Art von Motoren wesentlich komplexer.
Für den Betrieb ist eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung erforderlich. Bei den einphasigen Motoren handelt es sich beispielsweise um Universalmotoren, die vor allem in Haushaltsgeräten (230 V) verbaut werden oder um Kondensatormotoren, bei denen das erforderliche Drehfeld durch den namensgebenden Kondensator erzeugt wird. In der Praxis kommen jedoch die mehrphasigen Wechselstrommotoren wesentlich häufiger zum Einsatz. Die sogenannten Drehstrommotoren werden mit Dreiphasenwechselstrom betrieben. Der Stator besteht dabei aus drei Spulen, die jeweils von einer Phase gespeist werden. Die drei Spulen befinden sich in Winkeln von 120 Grad zueinander. Durch den Strom, der durch die Spulen fließt, entsteht ein versetztes Magnetfeld, das den Rotor in Gang setzt.
Synchronmotoren und Asynchronmotoren
Bei Wechselstrommotoren wird zudem zwischen Synchronmotoren und Asynchronmotoren unterschieden. Der größte Unterschied der beiden Bauarten besteht darin, dass beim Synchronmotor der Rotor mit der gleichen Drehzahl wie das Magnetfeld läuft, während beim Asynchronmotor der Rotor dem Magnetfeld „nachläuft“.
Der Asynchronmotor hat den Vorteil, dass er dadurch keine eigene Spannungsversorgung benötigt. Das führt dazu, dass diese Art von Elektromotor besonders einfach und infolgedessen auch wartungsarm und robust ist.
Welche Motoren kommen in Elektroautos zum Einsatz?
Aus den Steckdosen in unserem Stromnetz kommt Wechselstrom mit 230 V. In Akkus und Batterien wird hingegen Gleichstrom gespeichert, meistens mit einer Spannung von 400 oder 800 V. Da liegt die Vermutung nahe, dass in den Elektroautos grundsätzlich Gleichstrommotoren zum Einsatz kommen.
Allerdings weisen diese im direkten Vergleich zu den Wechselstrommotoren einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad auf und haben zudem eine niedrigere Leistungsdichte. Die Bürsten, die sie für den Wechsel des Magnetfeldes benötigen, haben einen hohen Verschleiß und können zudem Funken verursachen. Für den Betrieb in Elektroautos kommen deshalb nahezu ausschließlich dreiphasige Motoren mit Wechselspannung zum Einsatz. Dabei kann es sich entweder um einen Synchron- oder einen Asynchronmotor handeln.
Der Porsche Taycan 4S wird beispielsweise mit zwei Synchronmaschinen (eine vorne und eine hinten) betrieben. Der Audi E-Tron S funktioniert hingegen mit drei Asynchronmaschinen (eine vorne und zwei hinten). Tesla kombiniert beim Model S und X verschiedene Motorarten. Vorne kommt ein Synchronmotor und hinten ein Asynchronmotor zum Einsatz. Beim Tesla 3 ist es hingegen genau umgekehrt.
DC-AC-Wandler
Wie erzeugt man nun aus dem Gleichstrom der Akkus den für den Motor benötigten Wechselstrom? Dafür sorgt der sogenannte Inverter (oder Wandler) beziehungsweise Wechselrichter, der dazu in der Lage ist, den Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Das Grundprinzip dabei ist, dass mit Hilfe eines elektronisch gesteuerten Schalters die Gleichspannung regelmäßig unterbrochen wird. Durch die sogenannte „Zerhackerschaltung“ erhält der Ausgang so abwechselnd entweder die gleiche Spannung wie am Eingang oder die gegenteilige, indem die beiden Leitungen vereinfacht ausgedrückt miteinander vertauscht werden. Das Ergebnis ist dann der benötigte Wechselstrom.
Übrigens beim Aufladen eines Elektroautos an handelsüblichen Wallboxen zu Hause wird der ganze Prozess umgekehrt. Aus dem Stromnetz kommt der Wechselstrom, der dann im Auto über den Wechselrichter läuft und jetzt für die Batterie des E-Autos in Gleichstrom umgewandelt wird. Aber dazu vielleicht mehr bei einem weiteren Bericht zur Technik des Elektroautos.
1836 wurde erste Bootselektromotor erfunden in Deutschland – dazu gibt es ein kaiserliches Patent
1893 gab es schon Nahverkaufsprobleme auf der Spree in Berlin diese wurden mit Booten mit offenen – Blei Batterien von Siemens betrieben. Erst viel später gab es da erste Elektroauto. Zumindest im Bootsbereich gab es vor den heute bekannten DC Motoren zuerst noch die Reihenschlussmotoren wo das Feld noch mit Wicklungen aufgebaut wurde bevor es Permanent Magnete gab.