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Im Verbrennungsmotor sehen viele Hersteller noch immer Herzund Seele einesAutos und damit ihrer Marke. Doch mit den Elektroautos könnte sich allmahlich ein Wertewandel ankünd1Slp, de,ln deren Antriebe entwick.t" Uirirtrg vorallem Zulieferer. Ein Überblick"riber die unterschiedli;ü"" T;;ü;i;äil;'Sl Eco.Drive ttr2010

Ilektromotoren bewegen die Welt: Staubsauger,lf PC-Gebläse, Rolltrepp"en, Fensterheber, Fahrst"tih-ht. oder ICE-Tiiebköpf". Nur Autos werden bisher

:: \'erbrennungsmotoren angetrieben, obwohl die nur- ris 25 Prozent der investierten Energie verwerten - im'. =ensatz zu Elektromotoren, die es auf g0 bis 95 Prozent.-rgen. Mit den zu erwartenden Fortschritten bei der

-.:terieentwickiung soll sich das ändern.Im Grunde sind Elektromotoren Wandler, die elek-

---sche in mechanische Energie umformen. Hergestellt-id die dazu notwendige Kraft durch den Stromfluss

.- Spulen und den dadurch erzeugten Magnetfeldern.

- -ese üben eine Kraft auf Gegenfelder aus, die entweder.--rch Dauermagnete oder aber weitere, elektromagne-sch induzierte Felder entstehen. Eine Drehbewegung

..sst sich in solcher Konstellation erzielen, sobald ein:.lagnetfeld gehäusefest ist - man spricht vom Stator -,.i:s andere dagegen auf einer Achse drehbar gelagert ist.lieser Part wird als Rotor bezeichnet, der bei allen Elek-.omotoren den treibenden Teil darstellt. Um eine per-:ranente Drehbewegung zu erhalten, müssen Magnet-::ider freilich durch entsprechende Schaltungstricksluasi um die Rotorachse wandern. Noch vor 25 Jahren:riffen die E-Mobilisten auf konventionelle Gabeistapler-.\ntriebstechnik zurück, also auf Gleichstrommotorenkombiniert miI24 oder 4B Volt - jeweils ein Vielfachesder Bordbatterie-Spannung.

Heutige automobile Anttiebe stellen an den Elekttomototjedoch andete spezilische Anlotdetungen. Neben seinemprinzipbedingt hohen Start-Drehmoment kommt es dar-auf an, einen möglichst weiten Drehzahl- und Geschwin-digkeitsbereich abzudecken. Und für einen hohen Wir-kungsgrad sollte der Betriebsstrom möglichst klein sein,da andernfalls, wie in jedem Leiter, die Widerstandsver-luste steigen. Im Gegenzug dazu muss die Spannungdann hoch sein. Dass sich damit die Leitungsquer-schnitte verringern lassen, ist ein gewollter Nebeneffekt,denn massive Kupferleitungen würden auch Kosten undLeistungsgewicht nach oben treiben. Das war schon denE-Auto-Entwicklern klar, als sie im BMW Elekto-Dreier[1989) die Spannung mit der damals neuen NaS-Batterieauf 187 Volt und im legendären E1 (1991) auf immerhin120 Volt anhoben. Und die Vision A von Mercedes mitElektroantrieb baute 1993 bereits auf über 500 Volt.

Gleichstrom-Motoren, die Urform in frühen E-Mobi-len, sind auf mechanisch wechselnde Kontaktierung(Kommutatoren) angewiesen, die die Rotorwicklungenmit Strom von sich ständig ändernder Polarität versor-gen müssen. Als Partner fungiert der Stator, meist einPermanentmagnet, oft aber auch ein (fremderregter)Elektromagnet, der dann meist in Reihe mit der Rotor-wicklung geschaltet ist. Man spricht dann vom Reihen-schlussmotor. In jedem Fall aber bedeutet das Bauauf-wand und Verschleiß der Kontakte.

In der Fülle möglicher Varianten haben sich deshalbmittlerweile Iängst kontaktlose Drehstrommotoren eta-bliert, die solchen Verschleiß kaum kennen. Sie nutzendie quasi ,,natürliche" Drehbewegung des Dreiphasen-Wechselstroms aus dem Netz wie bei leistungsstarkenstationären Motoren, beispielsweise Werkzeugmaschi-nen, üblich. Im Auto, das sich aus dem Gleichstromeiner Batterie versorgt, muss der Drehstrom allerdingserst an Bord erzeugt werden. Dazu formen Wechselrich-ter die Spannung in eine dreiphasige Wechselspannungum - ein Aufwand, den allerdings der enorme Fort-

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Eleldromolol für Parallel-hybrid von ZF-Sachs

Elektromotoren in extrem kurzer, nahezu

scheibenförmiger Bauf orm lassen sichplatzsparend zwischen Motor und Getriebe

auf dessen Eingangswelle ideal in das An-

triebskonzept eines Parallelhybriden inte-grieren. lm Bild unten das Beispieldes BMW

Active Hybrid 7, einem Mildhybrid, beidemder 15-kW-Elektromotor den V8-Benzinerim Drehzahlkeller lediglich unterstützt. ln

diesem Fall handelt es sich um eine perma-

nenterregte Synchronmaschine. Das Hy-

bridkonzept teilt das BMW-Flaggschiff mitdem Mercedes S 400 Hybrid.

(O Hochellizienter BMW-V8-

Benzinmolor (330 kWi650 Nm)

O E-Maschine 15 kW210 Nm)

O Achtgang-Aulomatikgelriebe

@ Hochleistungseleklronik

O Hochspannungsleilung zum

Akkumulator im Kollenaum

Elektronotot plus

Getriebe bilden einekompakte Bauein-heit zwischen denBädern eines E-Autos

Beim Aufbau einer Fertigungskapazität in Gifhorn für zunächst bis zu 60 000

Elektromotoren im Jahr setzt Continental zunächst au{ fremderregte Syn-

chronmotoren. Die längere Bauform dieses Motorentyps fällt bei der Anwen-

dung für elektrische Achsantriebe weniger ins Gewicht. Dazu bietet er über

nahezu alle Betriebszustände einen guten Wirkungsgrad. lnsbesondere las-

sen sich s0 beim Einsatz in batteriebetriebenen Autos Vorteile im Bereich

höherer Drehzahlen nutzen, dahier durch die Erregerstromrege-lung die Gegeninduktivität redu-ziert werden kann. Zur Serienpre-miere kommt der von Continentalentwickelte Motor im kommen-den Jahr in der Elektroflotte eines

bislang nicht genannten europä-ischen G roßserienherstellers.

Baukasten; Ilas Spektrum der Conti-Motoren reicht uon 60 bis 120 kW

l:\.

Die Möglichkeit zur variablen Formgebung erlaubt es, als Außenläufer aus-gelegte flache und kompaKe Elektromotoren direkt in das Rad zu integrie-ren. Vor allem für reine Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge eröffnensich durch den Wegfall des zentralen Motorblocks neue Raumnutzungs-konzepte. Und mit der Ansteuerung einzelner Motoren können über dieSoftware relativ einfach fahrdynamische Regeleingriffe umgesetzt werden.Bislang kommen Radnabenmotoren vor allem in Forschungs- und Konzept-fahrzeugen zum Einsatz. Denn da ihr Gewicht in die ungefederten Masseneingeht, sind damit auch fahrdynamische Nachteile verbunden.

schritt der Halbleitertechnologie bei der Leistungselek-tronik begünstigt. Dazu obliegt ihr die Aufgabe, den E-Motor situationsgerecht anzusteuern. Da fallen mitunterStröme von 150 Ampere an, also nahezu das Zehnfacheeiner normalen Haushaltssteckdose. Solche Konvertersind inzwischen sehr kompakt und effizient - entschei-dend für einen guten Wirkungsgrad. Die Entwicklunghat hier in den letzten lahren ein rasantes Tempo vor-gelegt, ist ledoch längst nicht zu Ende.

Bei Drehstrommotoren unterscheidet man grundsätzlichzwei Prinzipien, Asynchton. und Synchronmototen. Ersteresind wegen ihres einfachen Aufbaus auch vergleichs-weise preisgünstig. Der Rotor besteht aus einem Blech-paket plus Kurzschlusswicklung zum Erzeugen desMagnetfelds. Weil zwischen Felderzeugung im Rotorund dem Feld im Stator ein gewisser Zeitverzug besteht,läuft der asynchron nach. Solche Motoren kamen bislanghäufig in Prototypen wie zum Beispiel beim BMW X5Efficient Dynamics von 2004 zum Einsatz. Aktuell ver-wendet praktisch nur noch Tesla in seinem Elektro-Roadster einen Asynchronmotor. Da sein bester Wir-kungsgrad im höheren Drehzahlbereich liegt, eignet ersich nur bedingt fur die Kombination mit einem Ver-brennungsmotor in Hybridautos.

Deshalb geht der Trend bei Hybriden zum Synchron-motor, dessen Rotor sich gleichsinnig zum elektrischenDrehfeld bewegt. Das gilt sowohl für E-Modelle als auchfür Hybride. ,,Beim Parallelhybrid darf man die funkti-onale Integration allerdings nicht unterschätzen", weißGünther Horsak, bei ZF verantwortlich für elektrischeAntriebstechnik, ,,denn es muss auch die Funktion einesDrehmomentwandlers ersetzt werden." Dazu gilt es,Start-Stopp-Funktion, Kaltstart, Warmstart und Schlepp-start in Motorsteuerung und Abstimmung der Schaltab-Iäufe im Getriebe einzubinden. Und regelungstechnischmuss auch die Rekuperation vorgesehen werden, wennder Elektromotor zur Rückwandlung der Bewegungs- inelektrische Energie zum Generator umgepolt wird.

In der permanenterregten Variante - deren Rotor mithochwertigen und daher relativ teuren Dauermagnetenbestückt ist - erzielt er eine hohe Leistungsdichte undden besten Wirkungsgrad. Von Toyota über Honda bishin zu BMW und Mercedes nutzen inzwischen nahezualle Hersteller dieses Prinzip. Daher sehen es Expertenmit einer gewissen Sorge, dass die zur Herstellung derPermanentmagnete notwendigen Rohstoffkomponen-ten, die Seltene-Erden-Elemente Neodym und Dyspro-sium, bei einem E-Auto-Boom knapp und somit teurerwerden könnten.

Nachdem sich die Rohstoffsituation zu verschärfenbeginnt und man sich nur ungern von China - quasi demFörder-Monopolisten der Seltenen Erden - abhängigmachen will, suchen Elektromotoren-Hersteiler nun ver-stärkt Alternativen. Der Ausweg könnte über den fremd-erregten Synchronmotor führen, bei dem vergleichswei-se aufwendige Wicklungen die Permanentmagneteersetzen. Da in diesem Fall erst durch zusätzliche Strom-zufuhr über Schleifringe die Magnetisierung aktiviertwird, kostet dies zwar Wirkungsgradpunkte, eröffnetaber zugleich eine weitere Steuerungsmöglichkeit.

Darauf fokussiert sich Zulieferer Continentai inzwi-schen, der in der Technologie der fremderregten Syn-chronmotoren eine weltweite Führungsposition bean-sprucht. Da Conti die Leistungselektronik ebenfallsselbst entwickelt, ist man in der Lage, im Durchschnitt

f[ Eco-orive ll/2010

W

EIGENSGHAFTSWERTUNG

eines praxisorientierten Fahrzyklus einen vergleichs-rveise hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Trotz unterschiedlicher Bauart ähneln sich Elektro-motoren in ihrer Leistungs- und Drehmomentcharakte-ristik. Ihr großer Vorteil: Bereits ab Startdrehzahl stehtdas maximale Drehmoment zur Verfügung und bleibtbis zu einer bestimmten Grenze erhalten. Bis zu diesemPunkt steigt die Leistung kontinuierlich bis zum Maxi-mum an. Im Ubergang von konstantem Drehmoment zukonstanter Leistung liegt auch der Bereich des höchstenWirkungsgrades. fenseits dieser Marke fällt das Motor-drehmoment ab - wie stark, hängt von Prinzip, Bauartund vor allem von der Motorregelung ab. Genau hierIiegt ein Entwicklungsfokus der Konstrukteure.

Vor allem für die kurbelwellennahe Anotdnung von Hyblid'modellen setzen Hersteller wie ZF Sachs oder Bosch aufeine flache, scheibenförmige Bauart, die sich einfachzwischen Motor und Getriebe integrieren lässt. le nachEinsatzort und Einbaulage kann der Rotor innerhalb oderaußerhalb des gehäusefesten Stators laufen. Währendim Lexus LS 600h ein Innenläufer rotiert, setzt derMercedes S 400 Hybrid auf einen Außenläufer.

Diese Bauart ist auch für Radnabenmotoren sehr gutgeeignet. Bislang aber greifen Elektroautos wie Mit-subishi iMiEV oder Smart Fortwo ED auf das Konzeptdes zentralen Motor-/Getriebeblocks und kurzer An-triebswellen zurück. Als Baueinheit mit dem Achs-getriebe verblockt, lassen sie sich so zu kompakten elek-trischen Antriebseinheiten integrieren.

Für eine noch höhere Leistungsdichte allerdingsmüssen Elektromotoren künftig womöglich mit deut-lich steigenden Drehzahlen betrieben werden - wasdann jedoch wieder ein Schaltgetriebe erforderlich ma-chen würde.

Abhängig von ihrem jeweiligen Einsatz haben EleKromotoren eine höchst

unterschiedliche ge0metrische Bauform. lhr gemeinsames Grundprinzipberuht auf der wechselweisen Anziehungskraft von Magnetfeldern zwi-schen (0rtsfestem) Stator und (drehendem) Rotor. Elektromagnetisch

über Wicklungen erzeugt, begünstigt Wechselstrom - zumal als drei-phasiger Drehstrom - die Ef{izienz der Drehbewegung. Rotoren sindentweder mit Permanentmagneten bestückt, oder ihr Magnetfeld wirddurch weitere Wicklungen erzeugt. Man spricht dann von Fremderregung.

Meist ist der Rotor unmittelbar auf der Drehachse angebracht (lnnenläu-

fer). Aber auch die umgekehrte Anordnung ist möglich, bei der sich der

Rotor als Außenläufer um die Statorwicklungen dreht.

Rotor (Außenläufer)

Permanentmagnete

Stator,' ffiit

Wicklungs-paketen

Rotor mitWicklungspaketen

r rmanenterregter

www.auto-motor-und-sport.de

Text: Klaus-Ulrich Blumenstock