Die Nachfrage nach E-Autos steigt, und damit die Zahl der E-Motor-Varianten. Größe, Effizienz, Kosten: Wir geben einen Überblick.
Eigentlich ist der Elektromotor ein alter Hut. Schon 1834 gab es praxisgerechte Exemplare. Seitdem ist die Technologie jedoch deutlich gereift: Wirkungsgrade von mehr als 90 Prozent sind möglich, er ist wartungsarm, kompakt und günstig in der Massenproduktion.
Heute sind verschiedene Varianten im Einsatz: vom mikrometerkleinen Motor für die Medizintechnik bis zum kräftigen Traktionsmotor in Schwerlastlokomotiven. Für Entwicklungsingenieure sollten elektrische Antriebe für Autos also keine große Herausforderung darstellen. In der Realität sieht es aber anders aus.
Intensiv arbeiten Industrie und Forschungsinstitute an immer ausgeklügelteren und effizienteren E-Motoren. Manche Modelle sind für hohe Geschwindigkeiten optimiert, andere für energiesparendes Fahren im Stadtverkehr, wieder andere für hohe Drehmomente für schwere Lastkraftwagen.
Bislang dominieren Motoren mit Permanentmagneten den Markt, zunehmend nehmen Autohersteller und Zulieferer jedoch Aggregate ohne diese Magnete ins Visier. So ließe sich Europas Importabhängigkeit bei seltenen Erden – einem zentralen Bestandteil von Permanentmagneten – drastisch reduzieren.
Parallel dazu wird die Produktionstechnik verbessert und – bisher eher zaghaft – nach umfassenden Recycling-Strategien für eine kommende Kreislaufwirtschaft gesucht. "Mit zunehmender Elektromobilität zeigt sich ein sehr starker Innovationsschub", sagt Henrik Born, der an der RWTH Aachen an optimierten Produktionsprozessen für Elektromotoren forscht.
Ein Ende dieses Trends sei noch lange nicht erreicht. Das ist verblüffend, da alle Elektromotoren auf dem gleichen Grundprinzip aufbauen: Durch Spulen in einem drehbaren Rotor mit einem Kern aus Eisen fließt elektrischer Strom mal in die eine, mal in die andere Richtung. Dadurch werden Magnetfelder aufgebaut, deren Polung regelmäßig wechselt.
Ein fester Stator mit integrierten Permanentmagneten umgibt den Rotor. So entsteht ein Wechselspiel aus magnetischer Anziehung und Abstoßung zwischen Stator und Rotor, das den Rotor in Drehung versetzt – in heutigen Elektroautos bis zu 16.000 Mal pro Minute. Diese Rotationsbewegung wird über ein Getriebe – derzeit meist mit nur einem einzigen Gang – auf die gewünschte Drehzahl für die Antriebsachse gedrosselt.
An Designvarianten mangelt es nicht. Rotor und Stator, Magnete und Spulen können jeweils ihre Position zwischen innen und außen tauschen. Noch ausgeklügelter sind sogenannte Axialflussmaschinen, bei denen der magnetische Fluss nicht wie bei den konventionellen Motoren (Radialflussmaschinen) senkrecht fließt, sondern parallel zur rotierenden Welle.
An diesen Maschinen arbeiten unter anderem Forschungsgruppen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der TU München und des britischen Elektromotorenbauers Yasa in Oxford, der 2021 von Mercedes-Benz übernommen wurde. Ein Vorteil des Axialflusskonzepts: Es ermöglicht einen kompakteren Aufbau ohne Verluste bei Leistung oder Drehmoment.
Ein weiterer wesentlicher Pluspunkt ist der reduzierte Materialbedarf an Kupfer und Eisen. Zudem verspricht das Ansatz eine bis zu 30 Prozent höhere Leistungsdichte und um fünf Prozent größere Reichweiten im Vergleich zu herkömmlichen Elektromotoren.
Ähnliche Ziele verfolgen auch Forscher des Innovations-Campus Mobilität der Zukunft (ICM), in dem die Universität Stuttgart und das KIT ihre Expertise bündeln. Dort widmet sich eines von insgesamt mehr als 130 Mobilitätsprojekten einer Transversalflussmaschine, bei der die Kupferspulen platzsparend um die Motorachse gewickelt werden.
Der Clou: Die Magnetfelder wirken hier nicht nur radial oder axial, sondern in alle drei Raumdimensionen. Solche Motoren sind zwar nicht für hohe Drehzahlen geeignet, bieten aber große Drehmomente. Davon könnten zum Beispiel Lastfahrzeuge profitieren.
"Es ist ein starker Innovationsschub", sagt Henrik Born. "Aber es gibt noch viel zu tun, um diese Technologie serienreif und kostengünstig zu machen."
Eigentlich ist der Elektromotor ein alter Hut. Schon 1834 gab es praxisgerechte Exemplare. Seitdem ist die Technologie jedoch deutlich gereift: Wirkungsgrade von mehr als 90 Prozent sind möglich, er ist wartungsarm, kompakt und günstig in der Massenproduktion.
Heute sind verschiedene Varianten im Einsatz: vom mikrometerkleinen Motor für die Medizintechnik bis zum kräftigen Traktionsmotor in Schwerlastlokomotiven. Für Entwicklungsingenieure sollten elektrische Antriebe für Autos also keine große Herausforderung darstellen. In der Realität sieht es aber anders aus.
Intensiv arbeiten Industrie und Forschungsinstitute an immer ausgeklügelteren und effizienteren E-Motoren. Manche Modelle sind für hohe Geschwindigkeiten optimiert, andere für energiesparendes Fahren im Stadtverkehr, wieder andere für hohe Drehmomente für schwere Lastkraftwagen.
Bislang dominieren Motoren mit Permanentmagneten den Markt, zunehmend nehmen Autohersteller und Zulieferer jedoch Aggregate ohne diese Magnete ins Visier. So ließe sich Europas Importabhängigkeit bei seltenen Erden – einem zentralen Bestandteil von Permanentmagneten – drastisch reduzieren.
Parallel dazu wird die Produktionstechnik verbessert und – bisher eher zaghaft – nach umfassenden Recycling-Strategien für eine kommende Kreislaufwirtschaft gesucht. "Mit zunehmender Elektromobilität zeigt sich ein sehr starker Innovationsschub", sagt Henrik Born, der an der RWTH Aachen an optimierten Produktionsprozessen für Elektromotoren forscht.
Ein Ende dieses Trends sei noch lange nicht erreicht. Das ist verblüffend, da alle Elektromotoren auf dem gleichen Grundprinzip aufbauen: Durch Spulen in einem drehbaren Rotor mit einem Kern aus Eisen fließt elektrischer Strom mal in die eine, mal in die andere Richtung. Dadurch werden Magnetfelder aufgebaut, deren Polung regelmäßig wechselt.
Ein fester Stator mit integrierten Permanentmagneten umgibt den Rotor. So entsteht ein Wechselspiel aus magnetischer Anziehung und Abstoßung zwischen Stator und Rotor, das den Rotor in Drehung versetzt – in heutigen Elektroautos bis zu 16.000 Mal pro Minute. Diese Rotationsbewegung wird über ein Getriebe – derzeit meist mit nur einem einzigen Gang – auf die gewünschte Drehzahl für die Antriebsachse gedrosselt.
An Designvarianten mangelt es nicht. Rotor und Stator, Magnete und Spulen können jeweils ihre Position zwischen innen und außen tauschen. Noch ausgeklügelter sind sogenannte Axialflussmaschinen, bei denen der magnetische Fluss nicht wie bei den konventionellen Motoren (Radialflussmaschinen) senkrecht fließt, sondern parallel zur rotierenden Welle.
An diesen Maschinen arbeiten unter anderem Forschungsgruppen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der TU München und des britischen Elektromotorenbauers Yasa in Oxford, der 2021 von Mercedes-Benz übernommen wurde. Ein Vorteil des Axialflusskonzepts: Es ermöglicht einen kompakteren Aufbau ohne Verluste bei Leistung oder Drehmoment.
Ein weiterer wesentlicher Pluspunkt ist der reduzierte Materialbedarf an Kupfer und Eisen. Zudem verspricht das Ansatz eine bis zu 30 Prozent höhere Leistungsdichte und um fünf Prozent größere Reichweiten im Vergleich zu herkömmlichen Elektromotoren.
Ähnliche Ziele verfolgen auch Forscher des Innovations-Campus Mobilität der Zukunft (ICM), in dem die Universität Stuttgart und das KIT ihre Expertise bündeln. Dort widmet sich eines von insgesamt mehr als 130 Mobilitätsprojekten einer Transversalflussmaschine, bei der die Kupferspulen platzsparend um die Motorachse gewickelt werden.
Der Clou: Die Magnetfelder wirken hier nicht nur radial oder axial, sondern in alle drei Raumdimensionen. Solche Motoren sind zwar nicht für hohe Drehzahlen geeignet, bieten aber große Drehmomente. Davon könnten zum Beispiel Lastfahrzeuge profitieren.
"Es ist ein starker Innovationsschub", sagt Henrik Born. "Aber es gibt noch viel zu tun, um diese Technologie serienreif und kostengünstig zu machen."