Die Zukunft steht „unter Strom“: An vielen Stellen kommen zukünftig E-Motoren zum Einsatz – vom Auto bis zur Heizung –, um den Verbrauch von fossilen Brennstoffen zu vermeiden. Dabei ist das Grundprinzip eines herkömmlichen E-Motors immer gleich: Magnetfelder treiben eine Welle an. Wie funktioniert das genau?
1. Was zeichnet den Antrieb aus?
Die Grundidee ist verblüffend einfach und basiert auf dem Prinzip des Elektromagnetismus: Wenn durch einen Leiter Strom fließt, bildet sich um ihn herum ein kreisförmiges Magnetfeld. Diesen Effekt machen sich die Konstrukteure von E-Motoren zunutze. In deren Inneren gibt es ein feststehendes Bauteil (Stator), in dem sich ein bewegliches magnetisches Bauteil (Rotor) befindet. Der Strom fließt nun durch die einzelnen Stator-Segmente und es entsteht das angesprochene magnetische Feld. Dabei hängt dessen Ausrichtung von der Stromrichtung ab – und das heißt: Die Felder lassen sich im schnellen Rhythmus so umpolen, dass der (ebenso magnetische) Rotor kontinuierlich in Bewegung bleibt. Selbstverständlich gibt es diverse Varianten dieses Ansatzes – etwa mit Blick auf die Frage, ob Gleichstrom, Wechselstrom oder Drehstrom zum Einsatz kommen.
Animation eines einfachen Gleichstrommotors.
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichstrommaschine, MichaelFrey, CC BY-SA 3.0 , https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons
2. Wer hat’s erfunden?
Das ist nicht ganz einfach zu beantworten, denn die Nutzung von Strom in einem voll funktionsfähigen Motor steht am Ende einer ganzen Kette von Innovationen. Ein Meilenstein war die Entdeckung der elektromagnetischen Rotation durch Michael Faraday im Jahr 1821. In einem Experiment gelang es ihm, einen stromdurchflossenen Leiter unter dem Einfluss eines Dauermagneten in Bewegung zu bringen. Verschiedene Wissenschaftler entwickelten in der Folge diverse E-Motor-Vorläufer. Das erste praxistaugliche Modell geht auf den deutsch-russischen Physiker Moritz Hermann von Jacobi zurück: Sein Motor trieb am 13. September 1838 ein Elektroboot auf der Newa in Sankt Petersburg an. Es fuhr zunächst nur 2,5 Stundenkilometer schnell und legte dabei eine Strecke von 7,5 Kilometern zurück. Später steigerte der Physiker seinen Motor auf eine Leistung von 4 Stundenkilometern.
3. Gibt es Besonderheiten beim E-Auto?
Zunächst einmal ist wichtig, dass in E-Autos vor allem Wechselstrom-Motoren zum Einsatz kommen, weil die Gleichstrom-Variante einen schlechteren Wirkungsgrad und eine geringere Leistungsdichte aufweist. Insgesamt unterscheidet man im Auto zudem zwischen Asynchron- und Synchronmotoren. Bei ersteren befindet sich der durch Induktion magnetisierte Rotor im Magnetfeld des Stators. Dabei läuft das Rotor-Magnetfeld dem Stator-Magnetfeld hinterher; beide sind also nicht synchron. Daraus leitet sich der Name dieser Motor-Variante ab, die zwei große Vorteile hat: Zum einen ist ihr Aufbau relativ einfach, zum anderen lässt sie sich einfach stromlos schalten und dann ohne Widerstand bewegen.
Im Gegensatz dazu bewegen sich im Synchronmotor die Magnetfelder von Rotor und Stator immer synchron zueinander. Auch dieses Prinzip kommt in E-Autos zum Einsatz, wobei es einen höheren Wirkungsgrad als die Asynchron-Variante hat. Teilweise setzen Hersteller dafür auf Permanentmagneten im Rotor inklusive seltener Erden, was die Kosten erhöht. Allerdings gibt es auch Synchronmotoren ohne Permanentmagnete.
Blick auf den Stator in einem geöffneten E-Motor.
4. Was bringt die Zukunft?
Dass die E-Mobilität in ganz verschiedenen Bereichen die Zukunft ist – man denke hier etwa an die Bahn oder Schiffe – liegt auf der Hand. Besonders interessant ist die Frage, ob sich zukünftig auch Flugzeuge mit Strom betreiben lassen. Verschiedene Universitäten forschen an dieser Aufgabe. Sicher ist: Flugzeugtriebwerke sind nichts anderes als sehr schnelle und leistungsstarke Gebläse, die man elektrisch antreiben könnte. Allerdings fallen die dafür benötigten Motoren derzeit noch sehr groß aus. Forscher arbeiten deshalb an einer neuen Generation von E-Antrieben, die viel kleiner sind.
5. Auf was kommt es in der Produktion im Automobilbereich an?
Natürlich geht es bei den zentralen Bauteilen wie Rotor, Stator oder Motorgehäuse um extreme Präzision – das ist für den Automobilbereich nichts Neues. Zudem steigen gerade die Stückzahlen massiv an. Produktionsplaner suchen deshalb nach innovativen Lösungen „aus einer Hand“, mit denen sich die Bauteile besonders effizient und prozesssicher bearbeiten lassen. Was das etwa für sogenannte gebaute Rotorwellen bedeutet, zeigt EMAG mir der Maschine ELC.
Gebaute Rotorwellen durchlaufen auch einen Schweißprozess, bei dem die beiden Bauteil-Hälften zusammenführt werden.
In der ganzheitlichen Technologie werden Füge-, Reinigungs- und Schweißprozesse an einer gebauten Rotorwelle kompakt zusammengeführt.
