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E-Motoren-Technik - wie es funktioniert

16. Januar 2019 08:45
Elektromotoren erfreuen sich immer größerer Beliebheit. Ob nun aus eigener Überzeugung zum Thema Umweltschutz oder aufrgund von behördlichen Auflagen, viele Wassersportbegeisterte setzen auf den leisen Anschieber. Dabei ist es durchaus hilfreich und faszinierend, sich einmal einen Einblick in die Technik zu verschaffen.

Beinahe 30 Jahre bevor Nicolaus Otto 1867 den ersten, serienreifen Viertaktmotor auf der Pariser Weltausstellung präsentierte, schob 1838 der erste Elektromotor ein Boot über die Newa bei St. Petersburg. Mit etwas mehr als einem Knoten Fahrt durch das Wasser fuhr der deutsch-russische Erfinder Hermann Jacobi eine Strecke von etwa sieben Kilometern. Angeblich berief der Zar persönlich Jacobi zuvor an die Akademie der Wissenschaften und finanzierte seine Forschungen. Die Kosten der neuen Wissenschaft waren immens. Ein Elektromotor kostete in etwa das 25-fache einer Dampfmaschine, die sich zu der Zeit anschickte, die Welt endgültig in die Industrialisierung zu katapultieren. Lange Zeit konnte der E-Motor aber nicht mit Verbrennungsmotoren konkurrieren. Erst die Verwendung modernster Technologien und Materialien in Motoren und Batterien ermöglichen es heute, dass der E-Motor eine ernsthafte Alternative darstellt. Die effizientesten unter ihnen sind bürstenlose Außenläufer-Motoren.

Rotor und Stator

Das Herzstück eines Elektromotors bilden Rotor und Stator. Der Rotor bezeichnet den sich bewegenden Teil der Konstruktion. Der Stator den starren, unbeweglichen Teil. Bei älteren Motoren mit Innenläufer drehte sich der Rotor in einem Gehäuse – dem Stator. Bei Außenläufermotoren dreht sich das Gehäuse (Rotor) um einen festen Part (Stator). Die Konstruktion eines Außenläufers hat Vorteile, da der Hebelarm vergrößert und somit das Drehmoment erhöht wird.

Die Drehbewegung des Motors wird im Grunde durch zwei Magnetfelder erzeugt. Auf dem Stator sitzen Kupferspulen, die bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld erzeugen. An der Innenseite des Gehäuses sind starke Dauermagneten angebracht, sogenannte Neodym-Magneten. Sie erreichen ein vielfaches der Feldstärke gewöhnlicher Magneten. Dank der Konstruktion als Außenläufermotor lassen sich doppelt so viele Dauermagnete verbauen, da schlicht mehr Platz vorhanden ist. Das steigert die Leistung des Motors.

Wird der Elektromagnet aktiviert, richten sich die beiden Magnetfelder zueinander aus – das Gehäuse rotiert. Allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt, denn wenn beide Felder ausgerichtet sind, kommt auch die Bewegung der Dauermagneten zum Erliegen. Ähnlich einer Kompassnadel, an die ein Magnet gehalten wird. Sie dreht sich, bis sie auf den Magneten zeigt.

Bürstenlos

Um das Stoppen der Bewegung zu verhindern, muss der Elektromagnet umgepolt werden. Das lässt sich realisieren, indem die Stromrichtung innerhalb der Spule geändert wird. Das Feld kehrt sich immer wieder um, und die Dauermagneten rotieren weiter. Es entsteht ein Wechselfeld. Für das Erzeugen des Wechselfeldes ist der sogenannte Kommutator zuständig. Er ändert die Stromrichtung, um den Motor in Gang zu halten. Früher teilten Kohlebürsten (Schleifkontakte) dem Kommutator mit, wann er das Feld umschalten musste. Diese Bürsten wurden an den Rotor gedrückt und schlossen bei bestimmter Rotorstellung jeweils einen Kontakt, der das Signal zum Wechsel gab.

Die neueste Generation benötigt keine Kohlebürsten mehr – sie arbeitet bürstenlos. Da die Schleifkontakte einem Verschleiß unterliegen, müssen sie regelmäßig getauscht werden. Zudem verursachen sie leichte Verluste in der Leistung der Motoren.

Bei bürstenlosen Motoren regelt eine digitale Schaltung das Wechselfeld. Bis zu 35.000 Mal in der Sekunde wechselt sie die Stromrichtung des Feldes. Noch vor wenigen Jahren war solch eine Präzision der elektronischen Schaltung unmöglich. Die Schaltung ist im Idealfall exakt auf die Komponenten des Motors zugeschnitten, um den Schub zu optimieren. Im Gegensatz zu Motoren mit Kohlebürsten sind elektronisch kommutierte Motoren nahezu wartungsfrei.

Energieversorgung

Schon an Bord des ersten Elektrobootes 1838 zeigte sich, dass Elektromotoren zwar effizient arbeiten, aber die Energieversorgung problematisch und vor allem teuer ist. Die Zink-Batterien an Bord von Jacobis Schiff wogen 200 Kilogramm und begrenzten Leistung und Reichweite des Bootes, denn nach sieben Kilometern war Schluss. Noch heute besitzen Batterien eine wesentlich geringere Energiedichte als Benzin. Das bedeutet, dass Batterien die Reichweite eines Elektromotors limitieren, da sie insgesamt weniger Energie zur Verfügung stellen als fossiler Brennstoff. In den letzten Jahren konnte die Reichweite durch immer effizientere Motoren und neue Batterietechnik gesteigert werden. Moderne Lithiumbatterien speichern wesentlich mehr Energie als herkömmliche Blei-Säure-Akkus und halten höhere Ströme aus. Zudem besitzen sie mehr Ladezyklen. Allerdings sind sie empfindlicher gegenüber falschen oder zu hohen Ladeströmen und Tiefentladung. Daher sind Lithium-Ionen-Batterien aufwendiger konstruiert. Zahlreiche redundante Sicherheitsfunktionen schützen die Batterien vor schädlichen Einflüssen. Ein eigenes Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht ständig das komplexe System. Sollte es ausfallen, schützt eine Hardwareabsicherung die Batterie.

Lithiumbasierte Batterien sind aktuell die Technologie der Wahl, um Elektromotoren mit Energie zu versorgen: Sie speichern deutlich mehr Energie als andere Batterien und sind hochstromfest – ein großer Pluspunkt für elektrische Antriebe. Dabei verlieren sie nicht an Kapazität, liefern auch bei Kälte zuverlässig Strom und weisen keinen Memory-Effekt auf. Außerdem bieten sie mehr Ladezyklen als bleibasierte Batterien.

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