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Elektromotor

Der Motor ist einer der wichtigsten Bestandteile von e-Fahrzeugen und gemeinsam mit dem Akku die treibende Kraft für eine gute Unterstützung. Jeder Motor hat seine eigenen Charakteristika und beeinflusst das Fahrverhalten des Fahrzeugs. 

Immer dann, wenn sich etwas auf Knopfdruck dreht oder bewegt, sind meistens Elektromotoren am Werk. Dies wird aber nur den wenigsten Menschen bei der Anwendung bewusst. Selbst wenn sie täglich Zahnbürsten, Kaffeemaschine oder unzählige andere Geräte und Maschinen per Tastenklick zum Leben erwecken. Elektromotoren verrichten oft versteckt, leise und unauffällig über Jahre hinweg ihren Dienst. Erst in den letzten Jahren rücken Elektromotoren immer öfter in den Fokus des allgemeinen Interesses – insbesondere in Zusammenhang mit der e-Mobilität.  

Elektromotor

Was ist eine e-Motor?

Einfach ausgedrückt ist ein Elektromotor ein elektromechanischer Wandler, der aus elektrischer Leistung eine mechanische Leistung erzeugt. Demzufolge verfügen Elektromotoren über einen Stromanschluss, an dem die elektrische Energie zugeführt wird. Er nutzt hierfür die Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die Magnetfelder aufeinander ausüben. Üblicherweise besteht ein Elektromotor aus einem feststehenden Ständer, dem sogenannten Stator, und einem sich darin drehenden Innenteil, dem Rotor. Beide Teile besitzen stromdurchflossene Spulen, die jeweils ein Magnetfeld erzeugen. Die Ausrichtung der sich abwechselnd voneinander abstoßenden und anziehenden Magnetfelder (Nordpol/Südpol) hängt von der Stromrichtung ab. Elektromotoren können in einem viel breiteren Drehzahlbereich genutzt werden als Verbrennungsmotoren. Das maximale Drehmoment liegt bereits aus dem Stand an – die beeindruckende Zugkraft steht also vollständig von Beginn an bereit. Aus diesem Grund benötigen Modelle mit Elektroantrieb weder Kupplung noch Schaltgetriebe. In der Regel wird jedoch ein effizientes Untersetzungsgetriebe mit fester Übersetzung (nur ein Gang) genutzt. 

Durch mehrfaches, passendes Umpolen der Spulen während eines Umlaufs des Rotors wird dessen kontinuierliche Drehung erreicht. Die rotierende Bewegung wird beim Auto zum Antrieb der Räder genutzt: Es fährt elektrisch. Der mechanische Abtrieb, der im einfachsten Fall als Welle ausgeführt ist, dreht sich und dient als Antrieb für Maschinen und Geräte. Das Funktionsprinzip eines Elektromotors beruht auf der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes. 

Bei einem Elektromotor wird die Tatsache genutzt, dass sich Magnete, je nachdem wie sie zueinander ausrichtet werden, gegenseitig beeinflussen. Gleiche Magnetpole stoßen sich ab und ungleiche Magnetpole ziehen sich an. 

Elektromotor Arten – welche gibt es?

Mittlerweile gibt es die unterschiedlichsten Arten von elektrischen Motoren. Der wohl wesentlichste Unterschied zwischen den einzelnen Typen liegt in der Stromversorgung. Dabei wird bereits bei der Konstruktion festgelegt, ob der Motor mit Gleichstrom, Wechselstrom oder Drehstrom gespeist werden muss. 

Aber auch die Erzeugung der erforderlichen Magnetfelder geschieht bei den jeweiligen Motoren auf unterschiedliche Art und Weise. Neben starken Dauermagneten kommen je nach Verwendungszweck auch Elektromagnete zum Einsatz. Im einfachsten Fall wird dazu über einen Eisenkern aus Blechplatten eine Spule aus Kupferdraht gewickelt, um das erforderliche Magnetfeld zu erzeugen. 

Beim Einsatz von Dauermagneten spricht man von einem Permanent-Magnet-Motor. Der Hauptvorteil eines Permanent-Synchron-Motors liegt darin begründet, dass quasi keine Verluste im Rotor entstehen, da, im Gegensatz zu asynchronen Maschinen, im Rotor keine Ströme fließen. Der Reluktanz-Motor arbeitet hingegen mit der anziehenden Kraftwirkung von Magneten auf Eisen, wie man das zum Beispiel von Küchenmagneten kennt.

Permanent-Magnet-Motoren werden insbesondere dort eingesetzt, wo ein hohes Leistungsgewicht erforderlich ist und wo nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht. Hier sind zu nennen ist die Automobilindustrie, Elektromotoren, Turboläufer und wo es auf eine besonders hohe Effizienz ankommt, die der Permanent-Magnet-Motor bietet.

Grundsätzlich wird hier zwischen e-Auto-Motoren und den Motoren für e-Zweiräder wie Roller, Scooter oder Pedelecs. In dem folgenden Artikel stellen wir euch die beliebtesten Motorarten und deren Besonderheiten vor. 

e-Motoren für Zweiräder

Nabenmotor 

Zu einem der bekanntesten Motoren für elektrische Zweiräder gehört der Nabenmotor. Dieser ist als Antriebseinheit direkt in das Zentrum des Antriebsrades eingebaut. Obwohl es sich hier technisch nicht zwangsläufig um einen Elektromotor handeln muss, sind e-Motoren doch die typische Bauform für Radnabenmotoren. Bei Zweirädern kann der Elektromotor sowohl im Vorderrad als auch im Hinterrad eingesetzt sein. Sitzt der Elektromotor stattdessen direkt an den Pedalen, spricht man von einem Tretlagermotor. Beide Varianten bringen Vor- und Nachteile und sind in der zweirädrigen Elektromobilität weit verbreitet. 

Radnabenmotoren liefern gegenüber Tretlagermotoren zwei wesentliche Vorteile. Zum einen belasten sie deine Antriebskette beziehungsweise den Antriebsriemen nicht zusätzlich. Zum anderen lässt sich so ein Vorderradmotor auch an einem herkömmlichen Fahrrad relativ einfach nachrüsten. Allerdings stört das zusätzliche Gewicht am Vorderrad die Lenkbarkeit, vor allem auf sandigem oder losem Untergrund. Auch ist das Ansprechverhalten bei Tretlagermotoren besser. 

Tretlagermotor 

Der Tretlagermotor (auch Mittelmotor genannt) wird oft bei e-Bikes eingesetzt. Er befindet sich unterhalb der Sattelstange beim Tretlager. Durch die tiefe Platzierung erhält ein Pedelec einen niedrigen Schwerpunkt und garantiert ein komfortables und einfaches Fahrverhalten. Nabenmotoren hingegen können das Lenkverhalten beeinträchtigen oder bringen durch das höhere Gewicht der Reifen das Fahrzeug ins Rutschen. Tretlagermotoren sind mit dem Rahmen fest verbaut und eignen sich besonders gut für Fahrzeuge im Gelände. Aber auch in der Stadt und auf dem flachen Land ist der Allrounder unter den e-Bike-Antrieben gut einsetzbar. 

e-RollereMotoren

Bei einem e-Motorroller sind die beiden häufigsten Motorvarianten der Radnabenmotor und  Mittelmotor mit Ketten- oder Riemenantrieb. 

Radnabenmotoren sitzen typischerweise im Hinterrad und geben ihre Kraft direkt an das Rad ohne über die Kette (oder einen Riemenantrieb) zu gehen. Ein Mittelmotor sitzt hingegen im Rahmen und gibt seine Kraft per Kette oder Riemen an das Hinterrad ab. 

Ein Radnabenmotor ist beim Fahren normalerweise deutlich leiser.  Das Laufgeräusch der Kette oder des Riemens bei Mittelmotoren ist bei einigen Modellen so hörbar, dass diese beim Vorbeifahren kaum von (leiseren) Rollern oder kleinen Motorrädern mit Verbrennungsmotor zu unterscheiden sind.Erfahrungsgemäß haben vergleichbare Elektroroller, trotz identischer Motorleistung, mit Nabenmotor sportlichere und leicht bessere Beschleunigungswerte, als Modelle mit Ketten- oder Riemenantrieb. 

e-Bike Motoren

Solltest du mit dem Gedanken spielen, dir auch ein Bike mit elektrischem Motor zuzulegen, unternimm zuvor auf jeden Fall eine Probefahrt, um dich mit den Fahreigenschaften vertraut zu machen. Bei e-Bike Motoren unterscheidet man vor allemzwischen verschiedenen Positionen des Motors: Der Motor kann vorne, in der Mitte oder hinten angebracht sein. e-Bike mit einem Mittelmotor zum Antrieb gehören zu der beliebtesten und am häufigsten vertretenen Art. Die Pedale müssen in einer gewissen Frequenz getreten werden, damit der Motor auch mithilft. Die Pedalunterstützung ist also abhängig davon, wie stark du trittst. Das bedeutet häufig, dass das Rad auch im kleinsten Gang mindesten eine Geschwindigkeit von 12 km/h und schneller sein muss, damit der Motor problemlos schnurrt. Auf geraden Strecken und leichten Steigungen ist das kein Problem, bei steileren Hügeln und Einfahrten reichen Muskel- und Motorkraft jedoch nicht mehr aus, um 12 km/h zu erreichen oder zu halten. Damit der Motor auch im kleinen Drehzahlbereich volle Power gibt, muss es eigentlich ein e-Mountainbike sein. 

Mittelmotor

Wenn man von einem e-Bike mit Mittelmotor spricht, bedeutet dies, dass sich der Motor beim Tretlager befindet. Infolgedessen ist der Schwerpunkt des Fahrrads niedrig und zentral. Ein e-Bike mit Mittelmotor hat daher eine ideale Gewichtsverteilung, was zu einer höheren Stabilität führt.Einer der größten Vorteile ist, dass dieser Motor nicht das Rad, sondern die Pedale antreibt. Schließlich hängt die Pedalunterstützung davon ab, wie stark getreten wird. Dies optimiert das Treten und sorgt für ein angenehmes Fahrerlebnis. Da e-Bikes mit Mittelmotor dank ihrer Kraft eine hohe Leistung bieten, sind sie ideal für anspruchsvolle Radtouren. 

Heckmotor

Einer der größten Vorteile eines Heckmotors, ist das Gefühl eines kräftigen Schubes im Rücken. Das Fahrerlebnis bei einem e-Bike mit Heckmotor fühlt sich in der Regel erstaunlich vertraut an. Dies liegt daran, dass sich der Antrieb eines „traditionellen“ Fahrrads auch am Hinterrad befindet. 

e-Bikes mit Heckmotor sind häufig mit einer Kettenschaltung ausgestattet. Dadurch entsteht mehr Spielraum bei den Gängen, was sich gerade in hügeligem Gelände positiv auf das Fahrgefühl auswirkt. Da der Motor direkt mit dem Hinterrad verbunden ist, ergibt sich ein sehr schnelles, aber vor allem sportliches Fahrerlebnis. 

Vorteile des Heckmotors:

  • Natürliches Fahrgefühl: Unterstützung je nach eigener Anstrengung 

  • Ideal für lange Strecken und den Freizeitgebrauch dank der sportlichen Kettenschaltung 

  • Geschwindigkeiten bis 45 km/h möglich 

  • Geräuschloser und kraftvoller Motor 

 

Nachteile des Heckmotors: 

  • Mehr Wartung durch Kettenschaltung 

  • Kann nicht mit Nabenschaltung kombiniert werden 

  • Das Heck des Fahrrads wiegt mehr, was den manuellen Transport erschwert 

Frontmotor

Ein e-Bike mit einem Frontmotor ist in der Regel günstiger als ein e-Bike mit Mittel- oder Heckmotor. Außerdem kann dieser Motor mit allen Schaltsystemen kombiniert werden. Ein großer Vorteil des Frontmotors ist, dass er bereits beim Anfahren unterstützt, unabhängig vom gewählten Gang. Ein Frontmotor erfordert weniger Wartung als andere Motoren. Darüber hinaus wiegt der Motor weniger, was das Radfahren ohne Unterstützung erleichtert. 

Vorteile des Frontmotors: 

  • Preisgünstiger 

  • Mit allen Schaltsystemen kombinierbar 

  • Wartungsarm 

  • Leichter als andere Motoren 

  • Ideal für flaches Gelände 

  • Am energieeffizientesten 

Nachteile des Frontmotors: 

  • Höhere Rutschgefahr 

  • Weniger leistungsstarke Unterstützung 

  • Das meiste Gewicht befindet sich auf der Vorderseite des Fahrrads 

  • Nicht geeignet für Berggebiete 

  • Weniger natürliches Fahrgefühl 

e-Motoren für Autos

Es gibt drei Arten von Elektromotoren, die in Hybrid- oder Plug-in-Elektrofahrzeug verwendet werden können. 

 

Permanentmagnet Synchronmaschine 

Interne Permanentmagnet Motoren oder IPM Motoren (auch: Permanentmagnet Synchronmaschine) haben eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad über ihren Betriebsbereich. Nahezu alle Hybrid- und Plug-in-Elektrofahrzeuge verwenden in ihren Antriebsmotoren Permanentmagnete. Aufgrund hoher Kosten für Magnete (NeFeB und SmCo) und Rotorherstellung sind diese Motoren relativ teuer. Weitere Herausforderungen bei der Verwendung von IPM-Motoren sind die begrenzte Verfügbarkeit und die hohen Kosten von Magnetmaterialien. IPM-Motoren sind die Zukunft der Elektrofahrzeuge im nächsten Jahrzehnt.Moderne Elektroautos haben heute Synchron- oder Asynchronmotoren an Bord. Der Unterschied liegt in der Funktionsweise des Rotors: Beim Synchronmotor folgt er gleichzeitig dem magnetischen Drehfeld des Stators – also synchron. Beim Asynchronmotor hingegen folgt er dem Stator zeitlich verzögert, daher asynchron.  

Induktionsmotor

Induktionsmotoren (Asynchronmotor) haben ein hohes Drehmoment und bieten eine hohe Zuverlässigkeit. Ihre Leistungsdichte und der Gesamtwirkungsgrad sind jedoch niedriger als bei IPM-Motoren. Sie sind heutzutage auch in verschiedenen Branchen erhältlich, einschließlich in einigen Serienfahrzeugen, wie dem Tesla S mit Asynchronmaschine. Der Läufer ist bei Antriebsmotoren ein kurzgeschlossener Käfigläufer. Da diese Motorentechnologie ausgereift ist, ist es unwahrscheinlich, dass die Forschung hier noch zusätzliche Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Kosten, Gewicht und Volumen erreichen kann. 

Reluktanzmotor

Geschaltete Reluktanzmotoren bieten eine kostengünstigere Option. Sie haben eine robuste Struktur, die hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten standhält. Sie erzeugen jedoch mehr Geräusche und Vibrationen als vergleichbare Motorkonstruktionen, was für den Einsatz in Fahrzeugen eine große Herausforderung darstellt. Geschaltete Reluktanzmotoren sind auch weniger effizient als andere Motortypen und die Gesamtkosten des elektrischen Antriebssystems steigen. Den kompakten Reluktanzmotoren könnte aber die Zukunft bei der e-Mobilität gehören, da sie keine Seltenen Erden benötigen. 

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