Die Revolution der Elektrofahrzeuge (EV) schreitet voran, um Energie zu gewinnen, und das Fahren dieser modernen Maschinen ist ein wesentlicher Bestandteil, der oft übersehen wird, nämlich der Elektromotor. Die klassischen Kraftstoffsysteme und Verbrennungsprozesse wurden durch die saubereren, produktiveren Prinzipien des Elektromagnetismus in Elektrofahrzeugen ersetzt. Es ist diese fortschrittliche Technologie, die für ihre bemerkenswerte Beschleunigung und herausragende Effizienz sorgt.
Wenn Sie wissen möchten, wie ein Elektroauto funktioniert und insbesondere, wie der Motor die Batterieleistung in unmittelbare Bewegung umwandelt, dann sind Sie hier genau richtig. In diesem Leitfaden erklären wir Ihnen auch die beiden Motortypen, die heute verwendet werden: PMSM vs ACIM. Sie erfahren, wie sie sich unterscheiden, wie effizient sie sind und welche Wissenschaft hinter der berühmten schnellen Beschleunigung von Elektroautos steckt.
Warum Wechselstrom den Antrieb von Elektrofahrzeugen dominiert
Bevor wir uns mit den verschiedenen Motortypen befassen, ist es wichtig, den Unterschied zwischen der Leistung der Batterie und der Leistung des Motors zu kennen.
DC-Batteriebetrieb vs. AC-Motorbetrieb
In Elektrofahrzeugen speichern die großen Batterien Energie als Gleichstrom (DC), was bedeutet, dass der Strom in eine Richtung fließt, ähnlich wie bei einer normalen Haushaltsbatterie. Die meisten modernen EV-Motoren werden jedoch mit Wechselstrom (AC) betrieben, bei dem der Strom ständig die Richtung wechselt, um das rotierende Magnetfeld zu erzeugen, das den Motor antreibt. Damit dies möglich ist, gibt es ein wesentliches Element, den Wechselrichter. Der Wechselrichter befindet sich zwischen der Batterie und dem Motor und ermöglicht die Umwandlung des Gleichstroms der Batterie in Wechselstrom mit einer genauen Frequenz und Spannung, um die Drehzahl und Leistung des Motors zu steuern. Autohersteller verwenden mittlerweile keine älteren Gleichstrommotoren mehr, da Wechselstrommotoren in Kombination mit intelligenten Wechselrichtern als leistungsstärker, effizienter und wartungsärmer gelten. Im Gegensatz zu den alten Gleichstrommotoren benötigen Wechselstrommotoren keine Bürsten oder Teile, die schnell kaputt gehen, was sie zuverlässiger macht.
Bewegung erzeugen: Die Physik des Elektromotors
Alle Wechselstrommotoren in Fahrzeugen funktionieren nach dem Grundprinzip des Elektromagnetismus, das besagt, dass ein Magnetfeld andere Magnetfelder anzieht und abstößt. Der Motor besteht aus zwei Hauptkomponenten. Der Stator ist der äußere Teil, und der Statorring ist mit Kupferdrahtspulen umwickelt. Wenn Wechselstrom aus dem Wechselrichter durch diese Spulen fließt, entsteht ein stark rotierendes Magnetfeld. Im Inneren befindet sich der Rotor, der sich dreht und mit den Rädern verbunden ist. Der Rotor ist ein Magnet, der entweder ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein kann, der versucht, dem vom Stator erzeugten rotierenden Magnetfeld zu folgen. Die Kraft, die die Räder dreht, das sogenannte Drehmoment, entsteht durch die Anziehungskraft zwischen dem Magneten des Rotors und dem Magnetfeld des Stators. Je schneller sich das Magnetfeld des Stators dreht, desto schneller dreht sich der Rotor und desto schneller fährt das Auto.
Die beiden Titanen: PMSM vs. Wechselstrom-Induktionsmotor
Die grundlegende Entscheidung bei der Planung des Antriebssystems eines modernen Elektroautos dreht sich darum, wie der Rotor sein Magnetfeld erzeugt. Diese Wahl wirkt sich in erster Linie auf die Leistung, den Wirkungsgrad und die Gesamtkonstruktion des Motors aus und ist damit ein wesentliches Merkmal der Elektrofahrzeug Technologie.
Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)
Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) sind die gängigste Art von Motoren, die in vielen modernen Kraftfahrzeugen verwendet werden. Diese Motoren verfügen über leistungsstarke Permanentmagnete, die aus Materialien wie Neodym im Rotor hergestellt werden. Das Magnetfeld des Rotors fixiert sich und dreht sich mit derselben Geschwindigkeit wie das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld. Da der Rotor bereits über ein eigenes Magnetfeld verfügt, sind PMSMs sehr effektiv, insbesondere im Stadtverkehr und bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten, da sie keine Energie für die Erzeugung eines Magnetfeldes verschwenden. Die Steuerung des Motors bei sehr hohen Geschwindigkeiten ist jedoch etwas komplexer. Außerdem sind diese Motoren in der Regel teurer, da für Magnete spezielle Materialien benötigt werden, die schwer zu beschaffen sind und moralische Fragen aufwerfen können.
Wechselstrom-Induktionsmotor (ACIM)
Die von Nikola Tesla entwickelten Wechselstrom-Induktionsmotoren (ACIMs) sind leistungsstark und zuverlässig. Im Gegensatz zu PMSMs verwenden diese Motoren keine Permanentmagnete. Stattdessen besteht der Rotor aus Kupfer- oder Aluminiumstangen, die in Form eines Käfigläufers angeordnet sind. Das rotierende Magnetfeld des Stators erzeugt ein Magnetfeld in diesen Stangen, wodurch sich der Rotor dreht. Der Rotor dreht sich etwas langsamer als das Magnetfeld des Stators, eine Differenz, die als „Schlupf” bezeichnet wird. Deshalb werden diese Motoren als asynchron bezeichnet. ACIMs sind zwar robust und zuverlässig, aber in der Regel weniger effizient als PMSMs, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen, da sie Energie aufwenden müssen, um das Magnetfeld des Rotors zu erzeugen, wodurch Energie in Form von Wärme verloren geht. Da sie keine seltenen Erden benötigen, sind sie kostengünstiger in der Herstellung.
Warum das Drehmoment von Elektrofahrzeugen sofort verfügbar ist: Das Geheimnis der „Null-Drehzahl“-Leistung
Das Aufregendste an einem Elektroauto ist seine schnelle Beschleunigung. Dies ist ein wesentlicher Vorteil von Elektromotoren gegenüber klassischen Verbrennungsmotoren, da sie sofort Drehmoment liefern.
Der Kompromiss des Verbrennungsmotors
Ein Benzin- oder Dieselmotor, der durch die Verbrennung von Kraftstoff in kleinen Explosionen funktioniert, die Kolben antreiben und die Kurbelwelle des Motors drehen. Er erzeugt nur dann ein starkes Drehmoment, wenn der Motor eine bestimmte hohe Drehzahl erreicht, sodass Fahrer in der Regel herunterschalten müssen, um mehr Leistung zu erhalten. Aus diesem Grund verfügen herkömmliche Autos über Mehrganggetriebe, die den Motor in diesem Leistungsbereich halten.
Der Vorteil des EV-Motors
Ein Elektromotor arbeitet auf wechselnde Weise, da er mithilfe von Magnetfeldern Drehmoment erzeugt. Wenn Sie das Gaspedal betätigen, sendet der Wechselrichter sofort Strom an den Stator des Motors und erzeugt so sofort Magnetkräfte. Das bedeutet, dass der Motor auch dann das volle Drehmoment erzeugen kann, wenn sich die Räder nicht bewegen. Da Elektromotoren von Anfang an und über viele Drehzahlen hinweg eine starke Leistung liefern, benötigen die meisten Elektroautos nur ein einfaches Ein-Gang-Getriebe. Dadurch wird das Fahrzeug leichter, weniger komplex und effektiver. Das ist es, was Elektroautos ihr sanftes, kraftvolles und aufregendes Fahrgefühl verleiht, wenn Sie das Gaspedal betätigen.
PMSM im Vergleich zu ACIM
| Spezifikationen | PMSM | ACIM |
| Energieeffizienz | Höher (meistens 94–97 %) | Niedriger (in der Regel 90–93 %) |
| Leistungsdichte | Höher (mehr Leistung für seine Größe) | Niedriger als der PMSM |
| Produktionskosten | Höher (abhängig von den kostspieligen Seltenerdmagneten) | Unterer (verwendet in der Regel leicht zu beschaffende Metalle der unteren Küste) |
| Wärmemanagement | Kritischer | Weniger hitzeempfindlich, wodurch es sehr robust und zuverlässig ist |
| Hochgeschwindigkeits Leistung | Ausgezeichnet, erfordert jedoch eine komplexe Steuerung der Fluss Abschwächung | Von Natur aus stark |
| Ausrollen (Widerstand) | Hat Widerstand | Widerstandslos |
Fazit:
Der Elektromotor in einem Elektrofahrzeug stellt eine wesentliche Veränderung in der Automobilherstellung dar. Er ersetzt die komplexen und weniger produktiven Teile herkömmlicher Motoren durch eine saubere, einfachere Konstruktion, die auf Elektromagnetismus basiert. Unabhängig davon, ob das Auto einen hocheffizienten Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) oder einen robusten, kostengünstigen Wechselstrom-Induktionsmotor (ACIM) ohne seltene Erden verwendet, bleibt der Hauptvorteil derselbe: sofortiges, gleichmäßiges Drehmoment und ein System, das mit sehr geringem Wartungsaufwand auskommt.
Deutsche Hersteller wie Audi und Porsche entscheiden sich häufig für den hocheffizienten PMSM, um Reichweite und Leistung zu maximieren, wie dies bei der MEB-Plattform des Volkswagen Konzerns zu sehen ist, während BMW aus Gründen der Nachhaltigkeit und der Kosten stark in den zementfreien, elektrisch erregten Synchronmotor (EESM) investiert hat. Diese strategische Divergenz verdeutlicht den zentralen Konflikt zwischen Spitzenwirkungsgrad (PMSM) und Versorgungssicherheit/Kostenkontrolle (ACIM/EESM), mit dem die gesamte Branche konfrontiert ist. Dieser Fokus auf nachhaltiges und effizientes Design ist ein wichtiger Trend in der deutschen Automobiltechnik, wie von Organisationen wie dem VDA (Verband der Automobilindustrie) dokumentiert, der die Industriestandards und die Politik im Bereich der Elektromobilität vorgibt.
Häufig gestellte Fragen:
- Was ist der Hauptvorteil des sofort verfügbaren Drehmoments in einem Elektrofahrzeug?
Sofortiges Drehmoment bedeutet, dass Sie die volle Drehkraft des Motors nutzen können, was zu einer schnellen und kraftvollen Beschleunigung ohne Verzögerung und ohne Gangwechsel führt.
- Wird für EV-Traktionsmotoren Wechselstrom oder Gleichstrom verwendet?
Der Hauptantriebsmotor nutzt Wechselstrom (AC) für eine unterbrechungsfreie Bewegung. Die Batterie speichert Gleichstrom (DC), den der Wechselrichter in Wechselstrom umwandelt, bevor er an den Motor weitergeleitet wird.
- Verwenden alle Elektrofahrzeuge denselben Motortyp?
Nein. Die beiden Haupttypen sind PMSM und ACIM. Viele leistungsstarke oder Allrad-Elektrofahrzeuge verwenden eine Kombination aus beiden.
- Warum haben Elektromotoren selten ein Mehrganggetriebe?
Elektromotoren liefern ihr maximales Drehmoment über einen sehr breiten Drehzahlbereich, sodass kein komplexes Mehrganggetriebe erforderlich ist, um den Motor in einem reduzierten Leistungsbereich zu halten.
- Warum ist ein PMSM im Allgemeinen effizienter als ein Wechselstrom-Induktionsmotor?
Der Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) verwendet Permanentmagnete in seinem Rotor, sodass er keine zusätzliche Energie zur Erzeugung eines Magnetfeldes benötigt, was ihn besonders bei niedrigen Drehzahlen sehr effizient macht.
