Der Elektromotor hat noch viel Potenzial

Der Elektromotor ist neben dem Akku das Herzstück eines E-Autos. Damit wird die elektrische Energie in Bewegung umgesetzt. Das soll sich natürlich möglichst verlustfrei vollziehen: Die eingesetzte Energie, die im Akku mitgeführt wird, soll möglichst genau der Energie entsprechen, die auf die Räder übertragen wird.

Hannes Weiss und sein Team von der TU München arbeiten an genau diesem Problem. Wir haben mit dem Wissenschaftler gesprochen und befragt zum Stand der Technik von Elektromotoren im Allgemeinen und zu seiner Forschungsarbeit im Besonderen.

Der Elektromotor hat schon heute einen Wirkungsgrad von bis zu 85 Prozent

Den Elektromotor gibt es seit mehr als 150 Jahren und inzwischen in vielfältigsten Bauarten. Er ist im Laufe der Zeit immer weiter entwickelt und verbessert worden. Heute verwendete Exemplare gelten als ausgereift, nahezu verschleiß- und wartungsfrei sowie als hocheffizient. Bis zu 85% der Energie, die als Strom in die Motoren geht, wird in Bewegungsenergie umgesetzt. Das ist der so genannte Wirkungsgrad.

Der hohe Wirkungsgrad ist beim Elektromotor ein wichtiger Unterschied zu herkömmlichen Benzin- bzw.- Dieselmotoren, denn diese setzen nur maximal bis zu 40% der im Treibstoff enthaltenen Energie in Bewegung um, oft sogar noch weniger. Der Rest geht zum Beispiel als Wärme verloren.

Kraft wird beim Elektromotor bei fast jeder Drehzahl auf die Straße gebracht

Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Benzin- bzw.- Dieselmotoren ist die Kraftentwicklung des Elektromotors in Abhängigkeit von der Drehzahl. Während Verbrennungsmotoren nur in bestimmten Bereichen ihre höchste Leistung auf die Straße bringen, verhält sich das bei E-Motoren gleichmäßiger: Die Kraft wird bei fast jeder Drehzahl auf die Straße gebracht – ein Phänomen, das bei jeder Geschwindigkeit zu den guten Beschleunigungswerten der E-Autos führt, was Fahrer von Elektroautos zu schätzen wissen.

Da Elektromotoren außerdem mit hohen Drehzahlen (mehr als 15.000 Umdrehungen pro Minute) problemlos laufen, kann bei E-Autos auf das Getriebe verzichtet werden. Noch nicht einmal zum Rückwärtsfahren braucht man eines, denn Elektromotoren drehen in beiden Richtungen identisch.

Weniger Aufwand bei der Herstellung

Auch der Aufwand bei der Herstellung eines Elektromotors ist geringer als beim Verbrenner. Der Bau eines E-Motors benötigt weniger Arbeitskraft, was Industrie und Gewerkschaften Kopfzerbrechen bereitet: Mehrwertschöpfung und Arbeitsplätze seien in Gefahr. Für den Endverbraucher bedeutet die günstigere Produktion voraussichtlich bald günstigere Auto-Kaufpreise. Der Kostenvorteil schafft zumindest einen gewissen Ausgleich für die bis dato zu zahlenden Mehrkosten für ein E-Auto. Teurer macht das Elektroauto bislang vor allem ein Bauteil: der Akku.

Rekuperierte Strommenge lt. Anzeige im Tesla-Cockpit.

Ein weiterer Vorteil von E-Motoren: das Phänomen der Rekuperation. Dieser Begriff bezeichnet die Gewinnung von Strom beim Bremsvorgang. Wenn ein E-Auto abbremsen muss, nimmt man den Fuß vom Fahrpedal und es setzt unmittelbar eine je nach Modell unterschiedlich starke Bremswirkung ein. Diese wird durch den magnetischen Widerstand im Motor erzeugt, der dabei Strom produziert und in den Akku einspeist. Das ist teilweise so erheblich, dass man zum Beispiel bei einer Fahrt mit einem Tesla Model S in Stuttgart von der Filderebene in den Talkessel bei einer Streckenlänge von 6,3 km und unter Ausnutzung von 250 Höhenmetern einen Nettostromgewinn von 0,2 kWh erzielt (siehe Foto). Um es zu verdeutlichen: Man fährt 6,3 km mit einem Auto und hat danach 0,2 Kilowattstunden Strom mehr im Akku! Sicher, wenn man die gleiche Strecke wieder hochfährt, verbraucht man mehr. In der Gesamtrechnung gleicht sich das aus, aber: Immerhin!

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Ein Elektromotor mit Permanentmagnet. Gesehen auf der IAA 2108 am Stand von ThyssenKrupp.

Ein Elektromotor wird durch den magnetischen Effekt angetrieben. Magnetismus bedeutet ja nicht nur eine Anziehung von unterschiedlichen magnetischen Teilen, sondern auch deren Abstoßung an den magnetischen Polen. Letzteres nutzt der Elektromotor, indem sich seine zentralen Bestandteile immer wieder voneinander abstoßen: Der Stator und der Rotor.
Den Stator, das unbewegliche Teil, muss man sich wie eine Art Hülle um den Rotor vorstellen, der sich darin dreht. Beide Teile werden durch wechselnde Stromzufuhr so magnetisiert, dass sie sich an den Polen immer wieder abstoßen. Dadurch dreht sich der Rotor in die gewünschte Richtung. Je stärker die aufgewendete Energie, desto größer die Magnetfelder, desto stärker die Abstoßung, desto mehr Bewegungsenergie auf der Straße.

„Verbesserungen sind möglich.“

Wie aber ist es eigentlich um die Elektromotoren bestellt, die momentan in die Elektroautos verbaut werden? Dazu haben wir mit Hannes Weiss gesprochen, der als Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU München an einem Forschungsprojekt zur Verbesserung von Elektromotoren arbeitet.

Weiss ist zwar davon überzeugt, dass aktuelle Elektroautos über Motoren verfügen, die von hoher Qualität sind. „Über die Lebensdauer muss man sich keine Gedanken machen“, sagt er, „denn Elektromotoren enthalten viel weniger bewegliche Teile als ein Verbrennungsmotor und sind daher klar im Vorteil.“

Allerdings sieht Weiss noch Verbesserungsmöglichkeiten beim Wirkungsgrad: „Aktuelle Elektromotoren von E-Autos verfügen nur über einen Wirkungsgrad zwischen 80 und 85 Prozent und in bestimmten Drehzahlbereichen.“ Wie schon bei Verbrennungsmotoren zu erkennen war, sind weitere Effizienzverbesserungen in den letzten Prozentbereichen nur sehr aufwändig zu erreichen. Da die Motoren bis vor kurzem nur stationär, also mit festem Stromanschluss betrieben wurden, war der Kostenvorteil schlicht nicht vorhanden. Das ändert sich nun, da der Strom im Akku mitgeführt werden muss. Jedes Prozent Effizienzsteigerung schlägt sofort auf die Reichweite der E-Autos durch.

Hannes Weiss an einem von seinem Team entwickelten Stanzautomaten. Foto: Andreas Heddergott/TU München

Steigerung des Wirkungsgrades um zwei Prozentpunkte

In dem Forschungsprojekt an der TU München wird daher untersucht, wie sich die in einem Elektromotor verwendeten Materialien bei der Herstellung verhalten. Stator und Rotor bestehen aus Aluminium, Eisen (Stahl) und Kupfer, alles Metalle, die sich sehr gut recyceln lassen. Konkret werden für die Herstellung des Motors so genannte Elektrobleche verwendet, in denen die Magnetfelder erzeugt werden. Weiss und Kollegen haben festgestellt, dass bei der Verarbeitung dieser Elektrobleche mit Hilfe von Stanzen die magnetischen Eigenschaften beeinflusst werden. Sind die Stanzwerkzeuge sehr scharf, verringert sich die mechanische Belastung der Elektrobleche und die Effizienz steigt. „Wir gehen von einer Steigerung des Wirkungsgrads im einstelligen Bereich aber von mindestens 2 Prozentpunkten aus“, so Weiss. „Das hat erhebliche Auswirkungen, denn auf Grund des verbesserten Wirkungsgrads kann man mit weniger Strom den gleichen Effekt erzielen. Weniger Strom bedeutet dünnere Kabel, weniger Akku, leichteres Fahrzeug, mehr Reichweite – da kommt eins zum anderen.“

Weiss ist überzeugt, dass sich in den nächsten Jahren auf diesem Gebiet noch einiges verbessern wird. „Wir verfügen für die Entwicklung von Elektromotoren nur über ganz wenige Spezialisten, die die hier verwendeten, unterschiedlichen Technologie-Bereiche komplett beherrschen. Um weitere Entwicklungssprünge zu machen, müssen wir erstmal Know-how aufbauen. Daran arbeiten wir.“

Foto oben: Rotorblechpaket: Der Rotor wird aus einzelnen, gestanzten Elektroblechen zusammengefügt. (Andreas Heddergott / TUM)

Dirk Baranek

Dirk Baranek ist Geschäftsführer einer Agentur für digitale Kommunikation in Stuttgart. Er war als Freier Online-Redakteur und Jour­na­list (DJV) tätig, ist Blogger, PR-Berater, Dozent und Tesla-Fahrer.