Induktionsmotoren (Asynchronmotoren) in Elektrofahrzeugen
Ein Induktionsmotor — auch Asynchronmotor genannt — erzeugt den Magnetismus des Rotors ohne Permanentmagnete oder eine separate Stromversorgung des Rotors. Sein einfacher Kurzschlussläufer, das regelbare Feld und die Eignung für hohe Drehzahlen machen ihn zu einer robusten Option für den Elektroantrieb.
Wie Induktion Drehmoment erzeugt
Der Wechselrichter speist die drei Phasenwicklungen des Stators mit zeitlich versetzten Strömen. Gemeinsam erzeugen diese Ströme ein Magnetfeld, das um den Luftspalt rotiert. Die Drehzahl des Feldes wird durch die elektrische Frequenz und die Zahl der Magnetpole des Motors bestimmt.
Der übliche Rotor eines Traktionsmotors ist ein Kurzschlussläufer: Leitfähige Stäbe aus Aluminium oder Kupfer verlaufen entlang des laminierten Stahlpakets und sind an den Enden durch Ringe kurzgeschlossen. Das rotierende Statorfeld schneidet diese Stäbe und induziert darin Strom. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld im Rotor, und die Wechselwirkung der beiden Felder erzeugt Drehmoment.
Damit Induktion auftritt, muss sich der Rotor mit einer anderen Drehzahl als das Statorfeld drehen. Diese Differenz heißt Schlupf. Im Motorbetrieb läuft der Rotor dem rotierenden Feld normalerweise nach; im Generatorbetrieb, einschließlich der Rekuperation, kehrt sich die geregelte Beziehung um, sodass mechanische in elektrische Leistung umgewandelt wird.
Schlupf ist eine Eigenschaft, kein Fehler
Der Schlupf wird häufig als Prozentsatz der Synchrondrehzahl angegeben. Er ändert sich mit der Drehmomentanforderung und ist nicht mit dem Reifenschlupf zu verwechseln. Bei geringer Last kann der notwendige elektromagnetische Schlupf klein sein. Ein höheres Drehmoment erfordert im Allgemeinen mehr Rotorstrom und eine größere geregelte Drehzahldifferenz.
Der Wechselrichter leistet weit mehr als das Anlegen einer festen Wechselspannung. Die Vektorregelung schätzt oder misst den Rotorfluss und trennt die Stromsollwerte für den Fluss von denen für das Drehmoment. Durch fortlaufende Änderung von Phasenstrom und Frequenz kann die Regelung vom Stillstand bis in den Feldschwächbereich gleichmäßiges Drehmoment erzeugen.
Der Dreiphasenbetrieb erzeugt ein gleichmäßig rotierendes Feld; er macht ein Untersetzungsgetriebe nicht überflüssig. Die meisten Elektroantriebe mit Induktionsmotor verringern weiterhin die hohe Drehzahl der Motorwelle, bevor sie Drehmoment an die Räder übertragen.
Rotoraufbau und Wärme
Induktionsmotoren in Elektro-Pkw verwenden gewöhnlich einen Kurzschlussläufer, weil dieser keine Bürsten, Schleifringe, Magnete oder isolierten Rotorwicklungen besitzt. Induktionsmaschinen mit gewickeltem Rotor existieren, sind jedoch nicht die übliche Architektur einer modernen Traktionseinheit für Elektro-Pkw und dürfen nicht mit einem fremderregten Synchronmotor verwechselt werden.
Der Verzicht auf Rotormagnete vereinfacht die Materialbeschaffung, doch Induktion bedeutet keine verlustfreie Magnetisierung. Der Statorstrom muss das Feld im Luftspalt aufbauen und Leistung an den Rotor übertragen. Der elektrische Widerstand im Käfig wandelt einen Teil des induzierten Rotorstroms in Wärme um. Bei hoher Last kann es zu den wichtigsten thermischen Herausforderungen des Antriebs gehören, diese Wärme aus einem rotierenden Bauteil abzuführen.
Stärken im Elektrofahrzeug
Ein Induktionsrotor ist mechanisch einfach und kann hohe Drehzahlen verkraften, wenn Käfig, Blechpakete, Welle und Lager für die daraus entstehenden Belastungen ausgelegt sind. Es besteht weder die Gefahr einer Entmagnetisierung von Permanentmagneten noch enthält der Rotor Seltenerdmagnete.
Der Wechselrichter kann den Fluss der Maschine verringern, wenn wenig Drehmoment benötigt wird. Wird ein Induktionsmotor an einer zweiten Achse stromlos geschaltet, kann er wegen des fehlenden permanenten Rotorfelds mit geringem elektromagnetischem Schleppverlust mitdrehen. Verluste in Lagern, Dichtungen, Zahnrädern, durch Ölumwälzung sowie restliche elektromagnetische Verluste bleiben bestehen; „kein Schleppverlust“ darf daher nicht wörtlich verstanden werden.
Induktionsmotoren können auch kurze Überlastungen aufnehmen, wenn Wechselrichter, Batterie und Kühlsystem genügend Reserve bieten. Das ist für kurze Beschleunigungen nützlich, doch die Temperatur — nicht das Wort „Induktion“ — bestimmt die wiederholbare Grenze.
Grenzen und konstruktive Abwägungen
Kupferverluste im Rotor und der vom Stator bereitgestellte Magnetisierungsstrom können an manchen Betriebspunkten den Systemwirkungsgrad und Leistungsfaktor gegenüber einem gut optimierten Permanentmagnetantrieb verringern. Außerdem erhöhen sie den Wechselrichterstrom für eine gegebene Wellenleistung.
Solche Vergleiche hängen vom Kennfeld ab. Ein Induktionsmotor ist bei hoher Drehzahl nicht grundsätzlich ineffizient, und ein Permanentmagnetmotor ist nicht automatisch überall überlegen. Rotorauslegung, Elektroblech, Luftspalt, Kühlung, Schaltstrategie, Übersetzung und das Lastprofil des Fahrzeugs bestimmen das Ergebnis.
Eine genaue Regelung hängt zudem von der Schätzung der Rotortemperatur und der Parameter ab, weil sich der Widerstand des Käfigs beim Erwärmen des Rotors verändert. Die Regelung muss Fluss und Drehmoment stabil halten, ohne direkten elektrischen Zugang zum Rotor zu haben.
Wie Hersteller Induktionsmotoren einsetzen
Ein Induktionsmotor kann als Hauptantrieb oder als Zusatzmotor an einer zweiten Achse dienen. Audis PPE-Antriebssystem ist ein klares Beispiel für eine Kombination verschiedener Motoren: Ein permanentmagneterregter Synchronmotor übernimmt den primären Hinterachsantrieb, während ein vorderer Induktionsmotor zugeschaltet wird, wenn mehr Leistung oder Traktion erforderlich ist. Im inaktiven Zustand kann der Frontmotor mit geringem Schleppverlust rotieren.
Diese Anordnung ist eine Systementscheidung und keine allgemeingültige Regel. Der reale Wirkungsgrad eines Fahrzeugs hängt davon ab, wie oft jede Achse arbeitet, ob eine Kupplung vorhanden ist, welche Zahnrad- und Reifenverluste auftreten und wie die Steuerungssoftware die Betriebspunkte auswählt.
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