AC-motor = Alternating Current motor (deutsch: Wechselstrom-Elektromotor)
DC-motor = Direct Current motor (deutsch: Gleichstrom-Elektromotor)

Das Funktionsprinzip jedes Elektromotors beruht auf der Polung des elektrischen Stroms - oder noch besser erklärt - auf der Tatsache, daß stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld abgelenkt werden (Lenz'sche Regel).

Begriffe rundum Elektromotoren

Jeder Elektromotor besteht aus mindestens einem beweglichen elektromechanischen Element, das meistens Rotor genannt wird, wenn es um die eigene Achse rotiert, und mindestens einem feststehenden elektromechanischen Element, das meistens Stator genannt wird. Beide Elemente erzeugen Magnetfelder, durch deren Ablenkungskräfte die zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Drehbewegungen umgewandelt wird, die am Rotor abgenommen werden können und auf diese Weise ein Fahrzeug in Bewegung setzen können.

Ist der Stator ein Elektromagnet, so wird häufig von Außenwicklung gesprochen, weil ein Elektromagnet eine Spule mit einem gewickelten Leiter (= Kupferdraht) ist. Analog wird von Rotorwicklung gesprochen, wenn der Rotor ein Elektromagnet ist.

Anforderungen an Elektromotoren zum Antrieb von Elektroautos

• Das Gewicht des Elektromotors sollte so gering wie möglich sein.
• Mechanische Beanspruchungen sollten mit Blick auf die Wärmeentwicklung und den Verschleiß möglichst vermieden werden.
• Die Leistungsaufnahme sollte bauartbedingt so gering wie möglich sein.
• Die Nennleistung sollte über einen möglichst großen Belastungsbereich zur Verfügung stehen.
• Für Beschleunigungsphasen muß der Elektromotor eine kurzzeitige Überlastung erlauben und ein hohes Drehmoment zur Verfügung stellen. Das bedeutet insbesondere, daß vor allem bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment bereit stehen sollte.
• Zwecks Energie-Ersparnis sollte ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Vor allem sollten deshalb möglichst einfache Schaltungen verwendet und Energie verbrauchende Umformungen der Stromzufuhr für die Steuerung des Elektromotors möglichst vermieden werden.
• Aufgrund von Talfahrten u. ä. muß der Elektromotor Drehzahlen bis zum eineinhalbfachen der Höchstdrehzahl bei der Leistungsabgabe ohne Beschädigung erlauben.
• Um die Energie-Bilanz des Gesamtsystems zu verbessern, sollte eine einfache Möglichkeit zur Energie-Rückgewinnung in entsprechenden Betriebsphasen (z. B. beim Bremsen) bestehen.
• "Nebenaggregate" (Kühlung von Motor und sonstigen Aggregaten, Innenraum-Heizung, Beleuchtung usw.), die mit elektrischer Energie betrieben werden, sollten möglichst geringe Leistungsverluste hervorrufen.

Arten von Elektromotoren zum Antrieb von Elektroautos

Die Elektromotoren, die zum Antrieb von Elektroautos unter diesen Anforderungen zielentsprechend verwendet werden können, können in zwei Klassen eingeteilt werden: Gleichstrom- und Wechselstrom-Elektromotoren. Von beiden Typen gibt es zahlreiche Bauformen, wobei Wechselstrom-Elektromotoren die vergleichsweise aufwendigere Steuerung besitzen, wohingegen bei Gleichstrom-Elektromotoren die mechanische Konstruktion aufwendiger ist.

Die Drehzahl eines Gleichstrom-Elektromotors hängt im wesentlichen von der Höhe der zugeführten Spannung ab. Gleiches gilt für das Drehmoment, so daß die Leistung ganz entscheidend von der Spannung abhängt und generell festgehalten werden kann: Je höher die Spannung, desto höher die Leistung. Bei zunehmender Belastung sinkt allerdings die Drehzahl, ohne daß das Drehmoment zurückgeht. Dadurch sinkt die Leistung kontinuierlich. Wird der Gleichstrom-Elektromotor mit Permanentmagneten zur Erzeugung des einen der beiden notwendigen Magnetfelder ausgerüstet, so liegen seine Vorteile darin, daß er klein und leicht ist und einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Besitzt der Gleichstrom-Elektromotor dagegen Schleifkontakte zur Umpolung (sogenannte Bürsten), dann unterliegt er einer hohen mechanischen Beanspruchung und ist für den Antrieb eines Autos nicht geeignet.

Die Drehzahl eines Wechselstrom-Elektromotors (eigentlich: Drehstrom-Elektromotors) hängt von der Netzfrequenz und der Anzahl der Magnetpole ab. Im Leerlauf ist sie am höchsten und nimmt bei zunehmender Belastung bis zur sogenannten Kipplast nur unwesentlich ab, bleibt also nahezu konstant über den gesamten nutzbaren Bereich. Wird die Kipplast überschritten, dann bleibt der Drehstrom-Elektromotor schlagartig stehen und brennt durch, wenn er nicht abgeschaltet oder die Belastung weggenommen wird. Da er sehr einfach gebaut ist und meistens keine mechanischen Verschleißteile enthält, ist er sehr gut für den Dauerbetrieb geeignet. Zu unterscheiden sind Synchron- und Asynchron-Drehstrom-Elektromotoren.
Beim Synchron-Drehstrom-Elektromotor ist die Lastdrehzahl mit der Frequenz des zugeführten Wechselstroms synchronisiert. Sein Rotor kann entweder aus Permanentmagneten oder Elektromagneten bestehen. Handelt es sich um Elektromagnete, so muß die Rotorwelle zwar mit Schleifkontakten versehen werden, um die Zufuhr der Rotorwicklung mit elektrischer Energie sicherzustellen, diese Schleifkontakte unterliegen jedoch nicht der Beanspruchung, wie die Bürsten bei einem Gleichstrom-Elektromotor. Um mit Hilfe eines Synchron-Elektromotors ein Fahrzeug kontinuierlich beschleunigen zu können, muß die Frequenz des zugeführten Drehstroms mit Hilfe eines Frequenzumrichters stufenlos verändert werden. Entsprechende (elektronische) Geräte sind zwar inzwischen verschleißfrei, reduzieren allerdings die Leistungsabgabe des Motors.
Der Asynchron-Drehstrom-Elektromotor erhielt seinen Namen, weil er nur dann Leistung (= Drehmoment) erzeugt, wenn seine Lastdrehzahl von der Frequenz des zugeführten Wechselstroms abweicht. Er besitzt ausschließlich Elektromagneten. Durch die Zufuhr von elektrischer Energie zu den einzelnen Elektromagneten der Außenwicklung in der gewünschten Drehrichtung des Motors wird an jedem Pol ein Drehfeld erzeugt, während an den anderen Polen kein magnetisches Feld besteht. Dieses wiederum induziert (daher auch der Name Induktionsmotor) in der kurzgeschlossenen Rotorwicklung elektrische Energie, die wiederum ein Magnetfeld um diese Rotorwicklung aufbaut. Die Wechselwirkung beider Magnetfelder bringt den Rotor dahingehend in Bewegung, daß er vom Drehfeld mitgezogen wird. Die induzierte elektrische Energie bricht zusammen, wenn keine Differenz mehr zwischen der Drehzahl des Drehfelds und der Rotordrehzahl besteht und der Motor bleibt stehen. Ein Asynchron-Elektromotor ist wartungsarm und besitzt eine hohe Lebensdauer. Er kann kurzzeitig ohne Schäden erheblich überlastet werden. Allerdings muß er extern gestartet werden und anlaufen und kann nur per leistungsminderndem Frequenzumrichter zu den in einem Fahrzeug notwendigen Drehzahl-Änderungen (etwa für Beschleunigungsvorgänge) gezwungen werden, da er normalerweise eine nahezu konstante Drehzahl aufweist. Außerdem ist er relativ schwer und besitzt einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad.

Eine Alternative zu Gleichstrom- und Drehstrom-Elektromotor kann der sogenannte bürstenlose Gleichstrommotor (englisch: brushless direct current = BLDC) sein. Diese Bezeichnung des zu den EC-Motoren (= electronically commutated, zu deutsch: elektronisch umgepolten, daher bürstenlosen) zu zählenden Elektromotors, ist etwas irreführend, da es sich um einen Synchron-Motor handelt, bei dem mit Hilfe einer elektronischen und somit verschleißfreien Steuerschaltung ein künstlicher Drehstrom in der gewünschten Drehrichtung auf die Elektromagneten des Stators gegeben wird, damit das so erzeugte rotierende Drehfeld den aus Permanentmagneten bestehenden Rotor in Bewegung setzt, genauer: vor sich herschiebt. Die Drehzahl des auch Permanentmagnet-Synchron-Motor (= PSM) genannten Elektromotors ist ausschließlich von der Geschwindigkeit abhängig, mit der die Steuer-Elektronik von Statorpol zu Statorpol die elektrische Energie weiterleitet (obwohl sich mit zunehmender Belastung die Phasenlage zwischen Stator- und Rotormagnetfeld verschiebt, weshalb durch die Steuer-Elektronik diesem Effekt mit Hilfe aufwendiger Sensorik gegengesteuert werden muß). Damit wird für ein Automobil das Drive-by-wire-Konzept der Fahrzeugsteuerung in idealer Weise unterstützt. PSM sind äußerst robust und zuverlässig, weil nur wenige mechanische Teile und seit langem bewährte elektronische Bauteile Verwendung finden. Sie besitzen ein hohes Drehmoment, einen großen nutzbaren Drehzahlbereich und einen sehr hohen Wirkungsgrad. Außerdem sind sie vergleichsweise laufruhig, weil ausschließlich Drehbewegungen ausgeführt werden. Allerdings ist ihre Ansteuerung aufgrund der notwendigen Sensorik und Elektronik besonders aufwendig.