Motoren-Konzepte im E-Auto: ASM vs. PSM vs. FESM

Gängige Bauarten bei Elektroautos sind Asynchronmotoren, permanenterregte Synchronmotoren und fremderregte Synchronmotoren. In vielen Aspekten gleichen sich die Aggregate trotz der unterschiedlichen Konzeption. So sind alle modernen E-Auto-Motoren Wechselstrommotoren, obwohl aus der Batterie Gleichstrom kommt; sie verfügen über Stator und Rotor und können auch als Generator arbeiten, sprich: kinetische Energie per Rekuperation als elektrische Energie zurück in den Akku speisen. Außerdem verfügen die E-Maschinen über einen hohen Wirkungsgrad.

Asynchronmotor

Der Asynchronmotor, kurz ASM, hat einen besonderen, nachhaltigen Vorteil. Er kommt ohne Permanentmagneten aus, für deren Herstellung seltene Erden benötigt werden. Das macht den ASM einerseits billiger, weil er einfacher konstruiert ist. Andererseits lässt er sich komplett abschalten und das Auto so im Freilauf segeln. Permanentmagnete kann man logischerweise nicht einfach so abschalten. Sie erzeugen beim Rollen sogenannte Schleppverluste – der Magnet setzt dem Radschwung also einen Widerstand entgegen, der Asynchronmotor nicht.

Auch kurzzeitiges Aktivieren nimmt er nicht übel und bietet bei ambitioniertem Fahren einen Vorteil, denn der ASM kann für einen kurzen Zeitraum mit Überlast arbeiten, also einen Boost-Effekt erzeugen. Außerdem ist er bei Volllast ziemlich effizient. Trotzdem gelten Asynchronmotoren als besonders robust und verschleißarm. Ein Nachteil von ASM ist die Blindleistung im niedrigen Leistungsbereich, die durch den asynchronen Lauf der Magnetfelder in Rotor und Stator entsteht. Das macht diese Art von Motor bei geringer Leistungsabfrage weniger effizient als seine Konkurrenten. Über das gesamte Einsatzspektrum hinweg saugt der Asynchronmotor übrigens Strom aus dem Akku, der dazu benötigt wird, um den Rotor zu magnetisieren.

Insgesamt verfügen ASM gegenüber permanenterregten Synchronmotoren über eine geringere Leistungsdichte und sind bei gleicher Leistung gut 30 Prozent größer. Kein Wunder also, dass wir Asynchronmotoren häufig in eher großen Autos finden – beispielsweise bei Mercedes und Audi oder in Teslas Model S und X.

Der permanenterregte Synchronmotor

Des einen Nachteil ist des anderen Vorteil. Bei Effizienz und Leistungsdichte macht den permanenterregten Synchronmotoren (PSM) so schnell niemand etwas vor. Auch mit Blick auf die Energierückgewinnung durch Rekuperation bietet der PSM den größten Wirkungsgrad. Weil sie sich gut kühlen lassen, können Elektroautos mit permanenterregtem Synchronmotor problemlos oft hintereinander stark beschleunigen, also hohe Leistung abrufen, ohne, dass die Maschine überhitzt und die Performance in die Knie geht. Hier setzt eher die Batterie das Limit.

Überhaupt entsteht deutlich weniger Wärme, weil der Rotor auch im Betrieb nicht unter Strom steht. Der Name verrät es bereits: hier erzeugen Magnete permanent ein Magnetfeld. Sie ahnen es – diese Motorenart verbauen Hersteller gerne in sportlichen Autos, wie dem Porsche Taycan. Dass sich das Magnetfeld nicht abschalten lässt, kann sich jedoch auch in einen Nachteil verkehren. Zunächst ist die Konstruktion an sich komplexer und teurer und sollte eine Panne das Abschleppen des Autos erforderlich machen, läuft eine permanenterregte Synchronmaschine immer als Generator mit und speist ungewollt Spannung ins stromlose System. Und – von wegen hier Vorteil und dort Nachteil – Permanentmagneten enthalten seltene Erden wie Neodym; die sind nicht billig und ihre Beschaffung ist an Abhängigkeiten auf dem Rohstoffmarkt geknüpft.

Der fremderregte Synchronmotor

Bleiben noch die fremderregten Synchronmotoren, wie wir sie beispielsweise im Renault Zoe, aber auch im BMW iX3 und iX finden. Hier ist das Rotormagnetfeld eben nicht permanent, sondern wird durch eine angelegte Spannung erzeugt. Bringt das einen Vorteil? Zunächst brauchen die Maschinen keine Magnete aus teuren seltenen Erden. Trotzdem arbeiten sie nach dem effizienteren Synchron-Prinzip. Außerdem fällt bei einer gut geregelten Spannung fürs Rotormagnetfeld das Drehmoment bei höheren Drehzahlen nicht so schnell ab. Gleichzeitig lässt sich der fremderregte Motor – fremderregt, weil er externe Spannung benötigt – wie ein Asynchronmotor einfach stromlos schalten, wenn gewünscht.

Nachteil: Die Leistungsfähigkeit im Betrieb wird immer dadurch beeinträchtigt, dass der Rotor unter Strom gesetzt werden muss. Ganz einfach, weil dieser Strom ja irgendwo herkommt – und ja, er kommt natürlich aus der Hochvoltbatterie des Elektroautos. Keine Angst: Der Effekt ist klein. Und zahlreiche Modelle mit stromerregten Synchronmotoren sind trotzdem sehr sparsam. Eine Herausforderung ist eher die Stromversorgung des Rotors an sich, der sich – nomen est omen – mit hoher Geschwindigkeit dreht. In der Praxis gibt es die Stromzuleitung über Schleifkontakte, was potenziell Verschleiß mit sich bringt. Oder eine Stromübertragung via Induktion, die tendenziell eher mit Verlusten zu kämpfen haben könnte.

Stromfluss und Magnetismus statt Verbrennung und Wärmeenergie sorgen beim Elektromotor für Bewegung. Dabei gibt es unterschiedliche Ansätze. Permanentmagnete lassen sich aus seltenen Erden herstellen, stromdurchflossene Spulen machen sie überflüssig. Aber selbst wenn nicht, verbraucht der Elektromotor die wertvollen Rohstoffe nicht im Betrieb wie der Verbrenner es mit Benzin oder Diesel tut. Und wie schon bei den Akkus wird auch mit Blick auf die Elektromotoren die Zukunft noch einige spannende Neuerungen bringen.

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