PMSM, ASM oder Reluktanzmotor – welcher E-Antrieb hat die Nase vorn?
PMSM, ASM oder Reluktanzmotor – welche Elektromotoren treiben E-Autos an und wo liegen ihre Vor- und Nachteile?
Wir werfen einen Blick auf die verschiedenen Elektroantriebe, die bei E-Autos zum Einsatz kommen.
Foto: Smarterpix / gobliins
Elektromotoren sind das Herzstück jedes Elektroautos. Sie wandeln Strom in Bewegung um – effizient, leise und nahezu verschleißfrei. Doch Elektromotor ist nicht gleich Elektromotor: Hinter den Kürzeln PMSM, ASM oder Reluktanzmotor verbergen sich unterschiedliche Konzepte, die jeweils eigene Stärken und Schwächen besitzen.
Von Permanentmagneten über Induktion bis zu innovativen Radnabenantrieben – dieser Überblick zeigt, welche Technik heute dominiert und welche Motoren die Zukunft der Elektromobilität prägen könnten.
Inhaltsverzeichnis
Vorteile gegenüber dem Verbrennungsmotor
Der in einem Elektroauto eingesetzte Elektromotor ist besonders robust und wartungsarm, da keine Verschleißteile wie Kolben oder Ventile vorhanden sind. Der Ölwechsel fällt ebenfalls weg. Das sind Punkte, die ihn vom klassischen Verbrennungsmotor unterscheiden – diese Antriebsform ist leiserer, langlebiger und auch effizienter.
Denn der Elektromotor bietet ein sofort verfügbares Drehmoment, das keine Drehzahlerhöhung benötigt. Er arbeitet mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad – in der Regel zwischen 85 und 95 Prozent. Es geht also weniger Energie verloren.
Energieeinsatz beim Elektromotor im Detail
Vom Grundprinzip her wandelt ein Elektromotor elektrische Energie in mechanische Bewegung um. Das funktioniert über einen drehbaren Elektromagneten, auch Rotor genannt. Um den Rotor herum existiert ein Magnetfeld, das in der Regel durch Dauermagneten, sogenannte Statoren, aufgebaut wird.
Fließt dann Strom durch den Rotor, bilden sich magnetische Kräfte, die ihn antreiben. Daraus entsteht eine Drehbewegung. Nun kommt eine dritte Komponente ins Spiel: der Kommutator. Er sorgt dafür, dass sich der Rotor kontinuierlich dreht, indem er für eine Umpolung des Rotors sorgt.
Die wichtigsten Motorenarten im Überblick
Die Autoindustrie nutzt verschiedene Motorenarten, die jeweils eigene technische Ansätze verfolgen. Zu den gängigsten zählen die permanentmagneterregte Synchronmaschine, der Asynchronmotor, der Reluktanzmotor, der Gleichstrommotor und zunehmend der Radnabenmotor. Welche Motorenart eingesetzt wird, hängt vom finanziellen Spielraum und den angestrebten Ergebnissen ab, vor allem in Bezug auf Reichweite, Leistung und Nachhaltigkeitszielen der Hersteller.
Permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM oder PSM)
Die permanentmagneterregte Synchronmaschine erzeugt das Magnetfeld im Rotor mithilfe starker Dauermagneten aus Materialien wie Neodym oder Dysprosium. Im Stator entstehen dagegen durch Wechselstrom elektrische Magnetfelder, die synchron zum Rotor rotieren. Das hat hohe Drehmomente zur Folge, was den Antrieb besonders effizient macht. Denn auch im Teillastbetrieb, also bei niedrigen Drehzahlen, sind hohe Wirkungsgrade möglich.
Deshalb ist diese Motorenart praktisch der Standard bei E-Autos. Viele Hersteller, darunter europäische Marken wie Porsche und Mercedes-Benz, setzen auf ihn. VW und Nissen nutzen sie in den Modellen ID.3 und ID.4 sowie in den neueren Modellen des Nissan Leaf. Ihr Einsatz ist weit verbreitet, da diese Motoren in puncto Wirkungsgrad und Leistung aktuell die beste Performance bieten.
Vorteile und Nachteile der permanenterregten Synchronmaschine
Der große Vorteil dieser Motorenart liegt in ihrem hohen Wirkungsgrad von bis zu 94 Prozent. Damit ist sie ideal für den Stadtverkehr und mittlere Strecken. Und genau dort liegen auch die Stärken der Elektroautos, da sie auf diesen Strecken ihre Vorteile gegenüber Verbrennern am deutlichsten ausspielen. Zudem zeichnet sich der Motor durch kompakte Bauweise und hohe Leistungsdichte aus.
Nachteile sind die hohen Materialkosten und die Abhängigkeit von seltenen Erden, deren Förderung meist in China erfolgt. Dadurch ergeben sich ökologische und geopolitische Herausforderungen.
Asynchronmotor (ASM)
Der Asynchronmotor erzeugt das Magnetfeld im Rotor nicht durch Magnete, sondern durch elektromagnetische Induktion. Er wird deshalb auch als Induktionsmotor bezeichnet. Der Rotor „folgt“ dem Magnetfeld des Stators stets leicht verzögert – daher die Bezeichnung „asynchron“. Das Drehmoment entsteht aus der Relativbewegung zwischen Rotor und Statorfeld. Dieses einfache Prinzip macht den Motor robust. Zudem kann er vergleichsweise günstig hergestellt werden.
Bekannte Beispiele für Asynchronmotoren finden sich in älteren Tesla-Modellen und in einigen Audi E-Tron-Varianten, die den ASM allerdings an der Vorderachse verwenden. An der Hinterachse befindet sich eine permanenterregte Synchronmaschine. Audi will mit dieser Kombination eine gute Balance zwischen Reichweite und Effizienz sicherstellen. Gerade bei hohen Geschwindigkeiten auf der Autobahn soll der ASM für Stabilität sorgen.
Vorteile und Nachteile des Asynchronmotors
Da Asynchronmotoren ohne Permanentmagnete auskommen, ist ihre Herstellung ressourcenschonend möglich und unempfindlicher gegenüber Preisschwankungen bei Metallen. Sie sind besonders langlebig und kommen häufig in Nutzfahrzeugen, leistungsstarken Anwendungen oder wie bei Audi in Kombination mit anderen Motorenarten zum Einsatz.
Allerdings ist der Wirkungsgrad etwas geringer als bei Synchronmaschinen – vor allem im kleineren Drehzahlbereich. Daraus resultiert ein etwas höherer Energieverbrauch.
Reluktanzmotor (SynRM / PMSRM)
Der Reluktanzmotor nutzt den sogenannten magnetischen Widerstand (Reluktanz). Der Rotor richtet sich so aus, dass der magnetische Widerstand minimal wird. Dadurch entsteht eine Drehbewegung, ohne dass Magnete notwendig sind. In modernen Fahrzeugen werden häufig Kombinationen aus Reluktanztechnik und Permanentmagneten verwendet – sogenannte Permanentmagnet-Synchron-Reluktanzmotoren (PMSRM). Dieser Hybrid vereint hohe Effizienz mit einer Materialeinsparung.
Reluktanzmotoren finden zunehmend Verwendung im Massenmarkt. Tesla nutzt im Model 3 am Hinterradantrieb eine Reluktanzmotor-Variante mit Permanentmagnetunterstützung. Sie ermöglichen hohe Leistungsdichte bei geringerer Rohstoffabhängigkeit.
Vorteile und Nachteile des Reluktanzmotors
Reluktanzmotoren punkten durch Nachhaltigkeit, da sie fast ohne seltene Erden auskommen. Sie sind langlebig und effizient, liegen in ihren Wirkungsgraden jedoch unter denen anderer Motorvarianten. Auch wenn Forschenden bereits die Herstellung eines Reluktanzmotors mit einem Wirkungsgrad jenseits der 90 Prozent gelang – in Serie wird dieser noch nicht hergestellt.
Herausforderung bleibt die komplexe Steuerung der Magnetfelder, die eine aufwendige Leistungselektronik erfordert. Zudem erzeugen manche Varianten Geräusche durch ihre pulsierende Magnetwirkung. Manche Fachleute gehen deshalb eher davon aus, dass diese Motoren sich in einer Nische des Marktes langfristig etablieren können. Da die Hersteller an leiseren, synchronisierten Versionen arbeiten, bleibt abzuwarten, wie sich der Reluktanzmotor weiter entwickeln wird.
Gleichstrommotor (DC-Motor)
Gleichstrommotoren zählen zu den ältesten Antriebssystemen im Elektrofahrzeugbau und gehören damit praktisch zu den Pionieren. Sie wandeln Gleichstrom direkt in mechanische Bewegung um. Früher kamen sie in kleinen Elektrofahrzeugen und Prototypen zum Einsatz. Heute haben sie aufgrund ihres aufwendigeren mechanischen Aufbaus mit Bürsten und Kollektoren und der eingeschränkten Steuerbarkeit an Bedeutung verloren. Moderne Elektroautos nutzen in der Regel Wechselstrommotoren, weil sie effizienter und verschleißärmer sind.
DC-Motoren finden sich in E-Autos daher eher in anderen Komponenten wie Lüftern oder Fensterhebern. In anderen Bereichen spielen sie dagegen eine größere Rolle, zum Beispiel in der Gebäudetechnik, Medizin, Rehatechnik, aber auch in der Landwirtschaft, im Bergbau, dem Schienenverkehr.
Radnabenmotor (In-Wheel-Motor)
Beim Radnabenantrieb ist der Motor direkt im Rad integriert, sodass kein Getriebe notwendig ist. Das erhöht die Raumeffizienz, etwa durch Einsparung von Achsen oder Differenzialen. Zudem lässt sich jedes Rad präzise individuell ansteuern, was die Fahrzeugstabilität und Dynamik verbessert. Mit dieser Art des Motors lässt sich bei geringer Drehzahl mehr Drehmoment erzeugen. Zudem ist eine präzise Übertragung der Kraft auf die Oberfläche des Rades möglich. Das sorgt dann nicht nur für mehr Stabilität des Fahrzeugs, sondern auch für eine bessere Kurvenperformance.
Der Ansatz eignet sich besonders für Sport- oder Spezialfahrzeuge, die auf maximale Kontrolle ausgelegt sind. Derzeit finden sich solche Motoren allerdings hauptsächlich in Konzeptfahrzeugen.
Vorteile und Nachteile des Radnabenmotors
Der Radnabenmotor ist ein leichtes, kompaktes und durchaus effizientes System. Er bietet viel Flexibilität und in dynamischen Fahrsituationen punktet er mit starker Traktion und Stabilität. Trotz dieser Vorteile hat der Radnabenmotor bisher keinen breiten Einzug in Serienfahrzeuge gefunden.
Gründe dafür sind das erhöhte ungefederte Gewicht und die stärkere Belastung der Radaufhängung, die den Fahrkomfort negativ beeinflussen können. Hinzu kommt der thermische Aspekt, da bei hohen Leistungen eine aktive Kühlung erforderlich ist. Neueste Entwicklungen, etwa des finnischen Unternehmens Donut Lab, zeigen jedoch leistungsstarke In-Wheel-Motoren mit bis zu 630 Kilowatt Leistung bei gleichzeitig kompakter Bauweise.
Das sind Hinweise darauf, dass diese Technologie künftig stärker an Bedeutung gewinnen könnte. Auch Fachleute schreiben dem Radnarbenmotor großes Potenzial zu.
Fazit: Welche Motorenart dominiert die Zukunft?
Noch gibt es keinen eindeutigen Sieger unter den Motorenarten im Elektroauto. Die PMSM dominieren derzeit den Markt, doch magnetfreie Konzepte wie Reluktanz- und Asynchronmotoren gewinnen an Relevanz. Sie sind nachhaltiger, weniger abhängig von Rohstoffen und zunehmend effizient. Die Zukunft der Elektromobilität dürfte daher in einer Vielfalt an Motorenarten liegen, die je nach Fahrzeugtyp und Einsatzgebiet optimal abgestimmt werden.
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