Elektromotoren und elektrische Antriebseinheiten

Der Traktionsmotor eines Elektrofahrzeugs ist Teil eines eng gekoppelten Systems, in dem Batterie, Wechselrichter, Motor, Kühlkreislauf, Untersetzungsgetriebe, Differential, Reifen und Steuerungssoftware gemeinsam bestimmen, wie effizient elektrische Energie in Bewegung umgesetzt wird.

Dieser Übersichtsartikel trennt drei Fragen, die häufig vermischt werden: wie verschiedene Motorfamilien Drehmoment erzeugen, wie eine Antriebseinheit aufgebaut und geregelt wird und wie das Gesamtfahrzeug diese Hardware nutzt und vermisst.

Der Energiepfad von der Batterie zur Straße

Die Hochvoltbatterie liefert Gleichstrom. Ein Traktions-Traction inverters wandelt diesen Gleichstrom durch Schalten in geregelten Mehrphasenstrom um – üblicherweise dreiphasigen Wechselstrom –, dessen Amplitude, Frequenz und Phase Drehmoment und Drehzahl des Motors bestimmen. Die Motor control and efficiency maps übersetzt den Fahrerwunsch und die Fahrzeuggrenzen in Stromsollwerte, denen der Wechselrichter folgt.

Im Motor erzeugt der Strom in den feststehenden Wicklungen ein rotierendes Magnetfeld. Der Rotor folgt diesem Feld oder wirkt mit ihm zusammen und dreht die Abtriebswelle. Die Entscheidungen zu Stator, Rotor, Wicklungen, Blechpaketen, Isolierung, Luftspalt, Lagern und Fertigungstoleranzen behandelt EV motor construction and windings.

Eine feste Untersetzung tauscht normalerweise Motordrehzahl gegen Raddrehmoment. Das Differential ermöglicht den angetriebenen Rädern in einer Kurve unterschiedliche Drehzahlen. In einer modernen Integrated electric drive units können Motor, Wechselrichter, Untersetzungsgetriebe, Differential, Schmierung und Kühlkanäle in einem kompakten Gehäuse untergebracht sein.

Wie ein Wechselstrom-Traktionsmotor Drehmoment erzeugt

Die meisten Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge besitzen zwei elektromagnetische Hauptteile: einen feststehenden Stator und einen Rotor, der sich jenseits eines schmalen Luftspalts dreht. Die drei Statorphasen werden nacheinander bestromt und erzeugen dadurch ein Magnetfeld, das um den Luftspalt rotiert.

Die Motorfamilie wird vor allem dadurch bestimmt, wie der Rotor sein Magnetfeld erhält und wie sich dieses Feld im Verhältnis zum Statorfeld bewegt:

Ein permanenterregter Synchronmotor trägt Magnete im oder auf dem Rotor.
Ein fremderregter Synchronmotor erzeugt das Rotorfeld mit einer gleichstromgespeisten Wicklung.
Ein Induktionsmotor induziert Strom in einem leitfähigen Rotorkäfig; zur Drehmomenterzeugung muss der Rotor mit einer anderen Drehzahl als das Statorfeld laufen.
Ein Reluktanzmotor erzeugt Drehmoment, weil sich sein Rotor in manchen Richtungen leichter magnetisieren lässt als in anderen.

„Synchron“ beschreibt die Drehzahl des Rotors relativ zum rotierenden Statorfeld. Der Begriff bedeutet nicht, dass Rotor und Stator mechanisch verbunden sind. Lager tragen den Rotor, während der Luftspalt die elektromagnetischen Teile räumlich voneinander trennt.

Drehmoment, Drehzahl und Leistung

Drehmoment ist die drehende Kraft an der Welle. Leistung gibt an, wie schnell der Motor Arbeit verrichtet:

Leistung = Drehmoment × Drehzahl

Diese Beziehung erklärt die charakteristische Drehmomentkurve eines Elektrofahrzeugs. Vom Stillstand bis zur Grunddrehzahl des Motors kann der Wechselrichter in der Regel genügend Strom für einen breiten Konstantdrehmomentbereich liefern. Oberhalb der Grunddrehzahl werden Spannung und Gegen-EMK zu den wichtigsten Begrenzungen. Die Regelung schwächt das wirksame Magnetfeld, sodass der Motor schneller drehen kann, während das verfügbare Drehmoment sinkt. In einem Teil dieses höheren Drehzahlbereichs kann die Leistung annähernd konstant bleiben.

Die genaue Kurve wird durch Batterieleistung, Spannung und Strom des Wechselrichters, Motortemperatur, Rotordrehzahl und mechanische Grenzen beschränkt. Eine angegebene Spitzenleistung steht möglicherweise nur für wenige Sekunden zur Verfügung. Die Dauerleistung ist die Leistung, welche die gesamte Antriebseinheit unter festgelegten Kühl- und Umgebungsbedingungen aufrechterhalten kann. EV motor testing and ratings erklärt, warum Messgrenze und Prüfdauer zu einer Leistungsangabe gehören.

Beim regenerativen Bremsen arbeitet dieselbe Maschine als Generator. Das Raddrehmoment treibt den Rotor an, der Wechselrichter regelt den Generatorstrom, und elektrische Energie fließt zur Batterie zurück, sofern Batterietemperatur, Ladezustand, Traktion und Systemgrenzen dies zulassen.

Die wichtigsten Motorfamilien in Elektrofahrzeugen

Permanent-magnet synchronous motors sind weit verbreitet, weil sie über einen nützlichen Teil des Fahrkennfelds eine hohe Leistungsdichte mit hohem Wirkungsgrad verbinden können. Ausführungen mit innenliegenden Magneten können sowohl Permanentmagnet- als auch Reluktanzdrehmoment erzeugen. Ihr fester Rotorfluss stellt die Entwicklung jedoch auch bei Feldschwächung, Fehlerspannung, Materialversorgung und Wärmehaushalt vor Herausforderungen.

Induction (asynchronous) motors besitzen weder Rotormagnete noch elektrische Kontakte. Ihr Rotorfeld entsteht nur, wenn die Statorerregung Strom im Käfig induziert. Sie sind mechanisch robust und können im unbestromten Zustand einen geringen elektromagnetischen Schleppverlust aufweisen. Dadurch eignen sie sich sowohl als primäre Traktionsmotoren als auch für eine zweite Achse. Der Rotorstrom verursacht allerdings zusätzliche Wärme und Verluste.

Electrically excited synchronous motors ersetzen Permanentmagnete durch einen regelbaren Elektromagneten im Rotor. Durch Erhöhen oder Verringern des Erregerstroms erhalten die Entwickler eine weitere Stellgröße, unter anderem für eine effiziente Feldschwächung bei hoher Drehzahl. Dem stehen ein Erregungssystem, Kupferverluste im Rotor und – bei Verwendung von Bürsten und Schleifringen – zusätzliche mechanische und Haltbarkeitsanforderungen gegenüber.

Reluctance motors umfassen magnetfreie Synchronreluktanz- und geschaltete Reluktanzmaschinen ebenso wie permanentmagnetunterstützte Ausführungen. Sie nutzen richtungsabhängige Unterschiede in der magnetischen Reluktanz des Rotors. Einfache magnetfreie Rotoren sind möglich, doch Drehmomentdichte, Anforderungen an den Wechselrichter, Drehmomentwelligkeit, Akustik und Regelung müssen für das Gesamtsystem bewertet werden.

Axial-flux permanent-magnet motors bezeichnen eine andere magnetische Geometrie und keine eigene Quelle der Rotorerregung. Die meisten automobilen Axialflussmotoren sind permanentmagneterregte Synchronmaschinen, deren Hauptfluss den Luftspalt parallel zur Welle durchquert. Ihr großer wirksamer Radius und ihre kurze axiale Bauform können eine hohe Drehmomentdichte ermöglichen, doch Kühlung, Luftspaltkontrolle, Axialkräfte und Großserienfertigung sind anspruchsvoll.

Warum kein Motortyp einfach der beste ist

Ein Motor besitzt nicht nur einen Wirkungsgradwert. Er hat ein Wirkungsgradkennfeld über Drehzahl und Drehmoment, und ein Fahrzeug nutzt beim Stadtverkehr, bei Autobahnfahrt, Steigungen, Anhängerbetrieb und starker Beschleunigung unterschiedliche Bereiche dieses Kennfelds. Wechselrichter und Getriebe haben eigene Kennfelder, weshalb die Entwickler die gesamte Antriebseinheit auf das vorgesehene Lastprofil abstimmen.

Auch die wichtigsten Verluste verändern sich mit dem Betriebspunkt:

Der Wicklungswiderstand verursacht Kupferverluste, die mit dem Strom stark zunehmen.
Wechselnde Magnetfelder verursachen Hysterese- und Wirbelstromverluste in Elektroblech und anderen leitfähigen Bauteilen.
Induktionsrotoren und elektrisch erregte Rotoren fügen Kupferverluste im Rotor hinzu.
Der Wechselrichter weist Leit- und Schaltverluste auf.
Lager, Dichtungen, Zahnräder, Ölpumpen und das Umwälzen des Öls erzeugen mechanische Verluste.

Bei der Motorwahl werden daher der Wirkungsgrad im nutzbaren Kennfeld, Leistungs- und Drehmomentdichte, Materialkosten und -versorgung, Auslegung des Wechselrichters, Kühlbedarf, Höchstdrehzahl, Akustik, Regelbarkeit, Fertigungsausbeute, Haltbarkeit und Wartungsfreundlichkeit gegeneinander abgewogen. Ein Motor, der an seinem Bestpunkt etwas weniger effizient ist, kann zu einem effizienteren Fahrzeug führen, wenn sein nutzbarer Hocheffizienzbereich besser zum Fahrprofil des Fahrzeugs passt.

Ein Motor oder mehrere

Ein einzelner Motor kann über ein Differential die Vorder- oder Hinterachse antreiben. Zwei Motoren stellen normalerweise unabhängig geregeltes Drehmoment an Vorder- und Hinterachse bereit und ermöglichen so Allradantrieb ohne mechanische Kardanwelle. Hersteller können an beiden Achsen denselben Motortyp einsetzen oder unterschiedliche Typen kombinieren, um verschiedene Wirkungsgrad- und Freilaufeigenschaften zu nutzen.

Systeme mit drei Motoren ordnen gewöhnlich einen Motor an einer Achse und zwei unabhängig geregelte Motoren an der anderen an. Systeme mit vier Motoren können je einen Motor pro Rad oder zwei Motoren pro Achse mit getrennten Zahnradpfaden verwenden. Unabhängige Motoren schaffen die Hardwarevoraussetzung für eine schnelle Drehmomentverteilung, doch die tatsächliche Fähigkeit hängt von Sensoren, Wechselrichterleistung, Reifenhaftung, thermischen Grenzen, Übersetzung und Steuerungssoftware ab.

Zusätzliche Motoren liefern keine kostenlose Mehrleistung. Sie erhöhen Masse, Kosten, Kühlbedarf sowie die Zahl von Wechselrichtern, Kabeln und Lagern und verursachen parasitäre Verluste. Trennkupplungen und unbestromte Induktionsmotoren können den Verbrauchsnachteil einer zweiten Achse beim gleichmäßigen Fahren verringern. Multi-motor EV architectures untersucht Architekturen mit einem, zwei, drei und vier Motoren im Detail.

Motordaten von Elektrofahrzeugen richtig lesen

Aussagekräftige Motordaten sollten mehr beantworten als „wie viele Kilowatt?“. Prüfen Sie, ob eine Angabe Spitzen- oder Dauerleistung bezeichnet, ob sie für einen Motor, eine Achse oder das Gesamtfahrzeug gilt und ob das angegebene Drehmoment an der Motorwelle oder nach der Untersetzung an den Rädern gemessen wurde.

Zu den aufschlussreichsten technischen Daten gehören:

Motortopologie und Einbauort;
Spitzen- und Dauerleistung unter den genannten Bedingungen;
Spitzendrehmoment und maximale Motordrehzahl;
Zwischenkreisspannung, Wechselrichterstrom und Halbleitertyp;
Übersetzungsverhältnis und Wirkungsgrad des Antriebsstrangs;
Wirkungsgradkennfelder von Motor und Wechselrichter für Antrieb und Rekuperation;
Kühlverfahren und thermische Grenzen;
ob Sekundärmotoren unbestromt oder abgekoppelt werden können;
Messgrenze, Temperaturen und Prüfverfahren.

Diese Angaben erklären, warum zwei Fahrzeuge mit ähnlicher Spitzenleistung bei Autobahnverbrauch, wiederholter Beschleunigung, Anhängerbetrieb, Geräusch und dauerhaftem Hochgeschwindigkeitsvermögen unterschiedlich abschneiden können.

Die Artikelserie in der richtigen Reihenfolge

Beginnen Sie mit den Motorfamilien:

Folgen Sie anschließend der Hardware- und Energieregelungskette:

Schließen Sie mit Fahrzeugarchitektur und technischen Nachweisen ab:

Die Navigationsregister verwenden dieselbe Reihenfolge.