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  eDrive - Elektromotor 1




Elektrische Energie für eine Drehbewegung, Drehmoment mit möglichst hohem Wirkungsgrad, das ist die Aufgabe von Elektromotoren. Dabei kommen die Gesetze des (Elektro-) Magnetismus zur Anwendung. Nach ähnlichen Prinzipien funktionieren auch Generatoren. Im Kfz-Bereich setzen sich zunehmend Maschinen durch, die zwischen beiden Betriebsarten umschaltbar sind.

Die durch Rekuperation gespeicherte Energie schafft Raum für zusätzlichen Boost am Hybridantrieb, z.B. für eine bessere Beschleunigung und/oder einen sparsameren Verbrennungsmotor. So kann der Gesamtwirkungsgrad auch außerhalb des Stopp- and Go-Verkehrs verbessert werden. Technisch spricht man von einem Generator, wenn Drehzahl und Drehmoment gegeneinander gerichtet sind, im Dremoment/Drehzahl-Diagramm Quadrant II und IV. Bei gleicher Richtung ist es dann ein Motor, Quadrant I und III.

Es gibt auch für den Hausgebrauch genügend Motoren, die am 50-Hz Stromnetz mit stets gleicher Drehzahl laufen, vom Drehmoment und der Drehzahl her angepasst durch einstufige Getriebe. Zum Antrieb eines Fahrzeugs bedarf es natürlich E-Motoren mit variabler Drehzahl. Diese könnte rein theoretisch durch Soll-Istwert Vergleich geregelt oder aber einfach nur gesteuert sein, also ohne Kontrolle der letztlich erreichten Drehzahl. Als Kfz-Antrieb kommen nur erstere in Frage.

Muss die Geschwindigkeit sehr exakt eingehalten werden, sprechen wir meist von einem Servoantrieb. Hierbei kann sogar der Motor je nach Position geregelt werden, dreht z.B. bei Ansteuerung um genau festgelegte Winkelgrade weiter. So ein Bedarf besteht beim Fahrzeugantrieb nicht. Gleichwohl ist Sensorik erforderlich, allen voran die Temperaturmessung, entscheidend z.B. für eine Leistungsbegrenzung oder im anderen Fall eine Boost-Funktion. Ansonsten kann auch noch die Stromaufnahme sensiert werden.

Elektrische Fahrzeugmotoren verfügen nur selten über einen Direktantrieb. Selbst bei Verwendung als Radnabenmotoren gibt es sie sowohl mit als ohne Getriebe. Erstere grundsätzlich bei allen übrigen Einbaupositionen. Mechanische Übertragungselemente können z.B. den Betrieb des Motors in überwiegend wirtschaftlichen Betriebszuständen ermöglichen und außerdem für eine gewisse erforderliche Elastizität sorgen. Auch kann durch etwaig einzusetzende Kupplungen leichter Achsversatz ausgeglichen werden und der Motor vom Antrieb getrennt werden.

Nicht zu hohe Drehzahlen vorausgesetzt, richten sich die Kosten für einen elektrischen Antrieb nach dem erforderlichen Drehmoment, also vorwiegend nach Länge und/oder Durchmesser. Danach richtet sich bei gegebener Betriebsspannung auch der Strombedarf. Der bestimmt dann auch die Größe z.B. des Inverters. Neben der Drehzahlanforderung an den E-Motor kann das Drehmoment ökonomie- oder leistungsbezogen ausgelegt sein.

Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen kommen zwei Drehstrommaschinen in Betracht. Wir nehmen uns als ersten den Synchronmotor vor, von dem oben schon ein schematisches Bild existiert. Als Rotor finden wir hier einen Dauermagneten, der von drei Phasen betriebenen elektrischen Spulen bewegt wird. Immer, wenn er gerade den Idealzustand seines Nordpols zu dem elektrisch erzeugten Südpol oder seines Südpols zu dem elektrisch erzeugten Nordpol erreicht hat, ändert sich die Polung.

Es ist ein wenig so, als locke man einen Hund mit einer Wurst durch die Wohnung. Der Hund läuft nur solange hinterher, wie er die Wurst gerade nicht erreicht. Hat er sie, sieht er keinen Grund mehr für Bewegung. Es gibt aber vermutlich auch einen Punkt, an dem er vielleicht das Interesse verliert und stehenbleibt, wenn der Abstand zur Wurst zu groß wird und er den möglichen Erfolg nicht mehr sieht.

So etwas Ähnliches gibt es auch beim Synchronmotor. Verlangen wir ihm nämlich ein Drehmoment ab, dann wird der Winkel zwischen z.B. seinem Nordpol und dem nächsten elektrisch erzeugten Südpol immer größer. Überschreitet dieser Winkel 90°, dann kommt der Rotor zum Stillstand bzw. äußert sich nur noch durch leichte Ruckelbewegungen. Ein nutzbares Drehmoment gibt er dann jedenfalls nicht mehr ab.

Jetzt ist natürlich so ein Motor, wie er hier im dreiphasigen Netz arbeitet, im Kraftfahrzeug nicht nutzbar. Zum ersten müssen ja diese drei Phasen, die sonst quasi ans Haus geliefert werden, hier erst noch aus der Gleichspannung einer Hochvoltbatterie erzeugt werden und dürfen zweitens auf keinen Fall mit stets der gleichen Frequenz betrieben werden, weil wir natürlich wechselnde Drehzahlen brauchen.



Tesla Model S hinten: Mechanischer Inverter (oben links) und Motor (unten rechts)

Wenn wir einmal den Wechsel der Polung in den drei Phasen als eine Art vorgegebene Drehzahl ansehen, dann läuft der Rotor dieser exakt hinterher. Er überholt nicht, sein Abstand als Winkel wird sogar mit mehr abgegebenem Drehmoment größer. Die Frequenzumrichtung, bei der übrigens auch ein Rückwärtsgang möglich ist, wird durch einen Inverter geregelt. Dessen Größe hängt ab von der maximalen Stromaufnahme des Motors. Das kann eine moderne Leistungselektronik sein (Bild oben), oder einzelne Funktionen können mechanisch durch einen Drehmechanismus (Bild oben) ähnlich dem Motor erzeugt werden.



Tesla Model S vorn: Elektronischer Inverter (links) und Motor (rechts)

Ein Kurzschlussleiterkäfig besteht aus parallel zur Rotorachse angeordneten Leiterstäben die an ihren Enden in stets den gleichen beiden Kurzschlussleiterringen münden. Vereinfachend könnte man auch zwei gegenüberliegende Leiterstäbe herausgreifen und diese an einem Ende miteinander verbinden. Unten ist diese am anderen Ende offene Leiterschleife so in einen Dauermagneten eingepasst worden, dass sie sich drehen kann.



Jetzt könnten Sie denken, alles sei wie gehabt, man könne an den Enden der sich drehenden Leiterschleife eine Spannung abgreifen, hätte einen Generator, oder man würde diese an eine Spannungsquelle anschließen und hätte einen Motor. Falsch gedacht, denn dann bräuchten wir eine mechanische Verbindung der Schleifenenden nach draußen und die hat zumindest der hier besprochene Asynchronmotor nicht.

Wir ändern die Versuchsanordnung ab und schließen die Leiterschleife kurz, verbinden also die beiden Enden miteinander. Wenn wir jetzt den äußeren Dauermagneten drehen, dann meinen wir natürlich ein Drehen des äußeren Magnetfeldes durch Phasenverschiebung, so wie das beim Synchronmotor beschrieben wurde. Solange die innere Leiterschleife sich nicht dreht, wird hier genauso eine Spannung induziert, als würde sie sich drehen und das äußere Magnetfeld stillstehen.

Es wird also über den vom Stator kommenden Magnetismus in der Leiterschleife des Rotors Elektrizität erzeugt, die diesen so magnetisiert, dass er sich gegen das äußere Magnetfeld abstützen kann und ein Drehmoment erzeugt wird. Natürlich muss die Ansteuerung des elektromagnetischen Rotors anders sein als beim Synchronmotor. Mit einer einfach durch drei Phasen erzeugten Sinusspannung würde sich gar nichts tun. Jetzt machen wir hier einen Schwenk zu den Betriebsdaten und nähern uns dem Unterschied zwischen beiden Motorarten von einer anderen Seite.

Wir schauen uns jeweils das Typenschild eines Synchron- und eines Asynchronmotors an. Allerdings sind das jetzt keine Fahrzeugmotoren, sondern die haben die gleiche Drehzahl. 50 Hertz, also 50 Schwingungen pro Sekunde, entsprechen 3000 pro Minute. Das wäre die Drehzahl bei einem Polpaar. Unten der Motor hat 4 Polpaare, würde also bei 50 Hz 750/min drehen.



Bei einem Synchronmotor erwarten wir eine entsprechende Drehzahl im Typenschild, denn auch wenn der Rotor bei Belastung dem sich drehenden Magnetfeld um einen bestimmten Winkel (unter 90°) hinterherhinkt, so hat er trotzdem die gleiche Drehzahl. Und genau das ist beim Asynchronmotor anders. Da würde im Typenschild eine etwas kleinere Drehzahl als 750/min angegeben sein, z.B. gut 3 Prozent weniger. Und genau daran würde man schon im Typenschild einen Asynchronmotor erkennen.

Leider ist diese Erkenntnis für unsere Fahrzeugmotoren nicht sehr brauchbar, erklärt aber gut einen Teil des Unterschieds zwischen beiden Motorarten. Es geht sogar noch weiter, denn beim Asynchronmotor muss das Magnetfeld des Stators den Rotor sogar überholen. Daher kommt natürlich auch der Name. Nur so kann die schon beschriebene Induktion in die Leiterstäbe und damit der zum Antrieb nötige Magnetismus im Rotor wirksam werden. Die im Gegensatz zu Synchronmotoren nicht konstante Abweichung wird auch als 'Schlupf' bezeichnet, im obigen Fall etwas über 3 Prozent.



Wie bei einem Motor mit Schleifringen auch begnügt man sich nicht mit einer Leiterschleife. Oben sehen Sie einen solchen Kupferkäfig, wie er im Rotor des Asynchronmotors integriert ist. Die Anzahl der Leiterschleifen ist deutlich größer als nur die je zweier Stäbe, weil von diesen jeder Teil von mehr als einer Leiterschleife sein kann. Im Unterschied zum Synchronmotor gibt es übrigens nicht die Grenze von 90° zwischen Läufer und äußerem Drehfeld, wenn dem Motor zu viel Drehmoment abverlangt wird.







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