Eine Frau steht neben einem Elektroauto
Elektromobilität

Wie funktioniert eigentlich ein Elektromotor?

Ob in elektrischen Zahnbürsten, Bohrmaschinen oder Elektroautos: Elektromotoren sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch wie genau funktionieren sie? Welche E-Motoren gibt es, und warum sind sie so klimafreundlich?

Was ist ein Elektromotor, und warum ist er klimafreundlicher als ein Verbrennermotor?

Ein Elektromotor ist im Grunde ein elektromechanischer Wandler. Das bedeutet: E-Motoren wandeln elektrische Leistung in mechanische Leistung um und treiben damit Geräte und beispielsweise Elektroautos an. Um die ranken sich viele Mythen, besonders um ihre Energiebilanz, die deutlich besser ist als die von klassischen Verbrennermotoren. Drei Faktoren spielen eine wesentliche Rolle:

 

  •  
  • der direkte CO2-Ausstoß
  • die Energieeffizienz
  • die Emissionen bei der Herstellung

 

Beim direkten CO2-Ausstoß liegt der Vorteil von E-Motoren auf der Hand: Während Verbrennermotoren im Betrieb große Mengen an Stickoxiden, Feinstaub und anderen Emissionen ausstoßen, kommen E-Autos gänzlich ohne CO2-Ausstoß aus. Auch bei der Energieeffizienz sind E-Motoren klar im Vorteil. Ihr Wirkungsgrad ist signifikant höher als der von Verbrennern. Nach Berechnungen des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) erreichen E-Autos einen Wirkungsgrad von 69 Prozent, der Wirkungsgrad von Benzinern hingegen beträgt lediglich 20 Prozent. Und: E-Autos sind günstiger als Verbrenner.

Elektromotor

Was ist der Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der zugeführten Energie tatsächlich für die Fortbewegung des Fahrzeugs genutzt wird. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Energie geht auf dem Weg von der Energiequelle bis zu den Fahrzeugrädern verloren.

Als unvorteilhaft präsentiert sich jedoch der ökologische Fußabdruck des Elektromotors in der Produktionsphase. Grund hierfür sind die energieintensiven Verfahren zur Fahrzeugherstellung selbst und zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien. Darum sollten die Batterien so lange wie möglich genutzt werden. In unserem Ratgeber erhalten Sie wertvolle Tipps, wie Sie die Lebensdauer Ihrer E-Auto-Batterie verlängern.

Im Vergleich fallen bei der Herstellung eines E-Autos rund achtmal mehr CO2-Emissionen an als bei der Produktion eines Benziners. Damit starten Elektrofahrzeuge mit einer negativen Energiebilanz, die sich im Laufe der Lebensdauer jedoch amortisiert. Abhängig vom Modell hat ein E-Auto einen vergleichbaren Benziner nach einer Laufleistung von rund 90.000 Kilometern in der CO2-Bilanz überholt.

Betrachtet man abschließend den CO2-Ausstoß eines E-Autos über den gesamten Lebenszyklus hinweg, fällt die Bilanz eindeutig aus. Während ein Benziner rund 230 Gramm CO2 pro gefahrenem Kilometer ausstößt, sind es bei einem E-Auto lediglich etwa 160 Gramm pro Kilometer. Laut Prognosen des BMUV wird die Diskrepanz bis zum Jahr 2030 zugunsten des E-Autos noch größer. Zum einen, weil der Anteil der Erneuerbaren am Strommix kontinuierlich steigt, zum anderen, weil die Akkuproduktion aufgrund fortschrittlicherer Technologien zukünftig deutlich weniger CO2-Emissionen verursachen wird.

Gleich weiterlesen? Warum die Zukunft der Mobilität elektrisch ist.

 

Wie ist ein Elektromotor aufgebaut?

Zu den wichtigsten Komponenten eines E-Motors gehören:

 

  • Stator: Der Stator (lat. „stare“ = stillstehen) ist ein unbewegliches Bauteil, das ein konstantes Magnetfeld erzeugt. Dieses besteht aus einem Nordpol (+) auf der einen und einem Südpol (–) auf der gegenüberliegenden Seite.

 

  • Rotor: Der Rotor – häufig auch als Anker oder Läufer bezeichnet – ist eine sich drehende Komponente des E-Motors. Er besteht aus einem Eisenkern und ist mit einer Spule aus lackiertem Kupferdraht umwickelt. Durch Letztere fließt Strom, sodass der Rotor elektromagnetisch aufgeladen wird.

 

  • Kommutator: Beim Kommutator (lat. „commutare“ = vertauschen) handelt es sich um ein kreisförmiges Bauelement, welches sowohl mit der Spule des Rotors als auch mit der Spannungsquelle verbunden ist. Der Kommutator ist dafür zuständig, dass sich die Stromrichtung im E-Motor zu bestimmten Zeitpunkten ändert.

 

  • Bürsten: Die Bürsten sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Gleichstrommotoren (DC-Motoren) und dienen dazu, den elektrischen Strom von der festen Stromquelle (z. B. Batterien oder Netzanschluss) auf den Rotor zu übertragen. Sie bestehen häufig aus Kohlenstoff (Kohle-Bürsten) oder Metall und sind so konstruiert, dass sie auf dem Kommutator reiben.

 

  • Spulen: Die Spulen sind wesentliche Bauteile eines Elektromotors und dienen dazu, mithilfe des elektrischen Stroms ein Magnetfeld zu erzeugen. Dieses Magnetfeld ist notwendig, um den Motor in Bewegung zu setzen. Eine Spule besteht aus einem isolierten Draht, der in mehreren Windungen um einen Kern gewickelt ist.
Aufbau Elektromotor

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Die Funktionsweise eines Elektromotors basiert auf Magnetismus, genauer gesagt auf zwei wichtigen Wirkprinzipien des Magnetismus:

 

  • Gleiche Magnetpole (+ und + oder – und –) stoßen sich ab, ungleiche Magnetpole (+ und –) ziehen sich an.
  • Nicht magnetische Teile lassen sich mithilfe von Strom magnetisieren.

 

Diese magnetische Kraft wird in E-Motoren genutzt, um eine Drehbewegung zu erzeugen. Das funktioniert folgendermaßen:

In der Ausgangsstellung befindet sich der Rotor in einer senkrechten Position. Da noch kein Strom durch die Spule fließt, ist der Rotor nicht magnetisch. Wird Strom angelegt, entsteht um die Spule ein Magnetfeld. Der Rotor wird zu einem Elektromagneten – mit einem Nordpol (+) und einem Südpol (–).

Wir erinnern uns: Auch der Stator verfügt über zwei Pole (Nord- und Südpol). Der Nordpol des Stators zieht nun den Südpol des Rotors an. Gleichzeitig wird der Nordpol des Rotors vom Südpol des Stators angezogen. Es entsteht eine erste Drehbewegung.

Funktionsweise Elektromotor

Da sich nur gleiche Pole abstoßen, würde der Rotor durch die magnetische Kraft in der nun erreichten Stellung – auch als Totpunkt bezeichnet – gehalten werden.

Genau hier kommt der Kommutator ins Spiel. Kurz bevor der Rotor die oben gezeigte Stellung erreicht, unterbricht der Kommutator die Stromzufuhr, um den Strom kurz darauf mit umgekehrter Polung wieder anzulegen. Durch die jetzt umgekehrte Stromrichtung ändert sich auch das Magnetfeld des Rotors. Standen sich eben noch die ungleichen Pole des Rotors und Stators gegenüber, sind es nun zwei gleiche Magnetpole, die sich abstoßen.

In der Folge dreht sich der Rotor um eine Viertelumdrehung weiter, bis sich die ungleichen Magnetpole wieder anziehen. Kurz bevor der Totpunkt erneut erreicht ist, wird der Strom wieder umgepolt, und der Ablauf beginnt von vorne. Auf diese Weise dreht sich der Rotor kontinuierlich weiter.

Wie lässt sich diese Bewegung nutzen? Ganz einfach: Der Rotor ist fest auf einer Achse verbaut. Dreht sich der Rotor, dreht sich auch die Achse – und damit alles, was mit ihr verbunden ist. Bei kleineren Elektromotoren könnte dies beispielsweise ein Ventilator sein, beim E-Auto ist es die Antriebsachse.

Sie möchten noch tiefer einsteigen? Weitere spannende Fragen und Antworten gibt es in unseren FAQs:


Welche Arten von Elektromotoren gibt es?

Bei Elektromotoren wird zwischen Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommotoren unterschieden. Der wesentliche Unterschied liegt in der Art der Stromversorgung.

Gleichstrommotoren (siehe Grafiken weiter oben) werden – wie der Name sagt – mit Gleichstrom betrieben. Damit der E-Motor kontinuierlich in Bewegung bleibt, muss die Stromrichtung regelmäßig geändert werden. Dies geschieht, wie bereits erläutert, mithilfe des Kommutators.

Bei Wechselstrommotoren hingegen funktioniert die Umpolung des Magnetfeldes aufgrund der Wechselspannung. Ein Kommutator ist nicht erforderlich. Dennoch sind Wechselstrommotoren im Vergleich zu Gleichstrommotoren komplexer aufgebaut. Ihr Stator besteht aus drei Spulen, die jeweils in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen. Alle drei Spulen erzeugen ein versetztes Magnetfeld, welchem der Rotor hinterherläuft, der so in Bewegung bleibt.

Drehstrommotoren werden mit Dreiphasenwechselstrom betrieben. Sie verfügen dazu über drei voneinander getrennte Statorspulen, die mit drei unterschiedlichen Phasen verbunden sind. Vereinfacht ausgedrückt verändert sich durch ihr Zusammenspiel das Magnetfeld, das wiederum den magnetischen Rotor in der Mitte in Drehung versetzt. Diese Rotation treibt die verbundenen Teile an, es kommt zu Bewegung



Welche E-Motoren kommen im Elektroauto vor?

In Elektroautos sorgen in der Regel Wechselstrommotoren für den Vortrieb. Sie überzeugen im Vergleich zu Gleichstrommotoren mit einem geringeren Gewicht, einer höheren Leistungsdichte und einem besseren Wirkungsgrad.

Motoren für Elektroautos werden in drei verschiedene Motorarten eingeteilt:

 

  • permanenterregte Synchronmotoren (PSM)
  • fremderregte oder stromerregte Synchronmotoren (FSM/FSS)
  • Asynchronmotoren (ASM)

 

Bei permanenterregten Synchronmotoren erzeugt der Rotor ein permanentes Magnetfeld. Die Magnetfelder von Rotor und Stator drehen sich synchron, also mit der gleichen Frequenz, daher die Bezeichnung „permanenterregte Synchronmaschine“. Diese Elektromotoren zeichnen sich durch eine hohe Reichweite und eine kompakte Bauform aus. Der Nachteil: Für die Herstellung werden Metalle der seltenen Erden benötigt.

Bei fremderregten oder stromerregten Synchronmotoren wird das Magnetfeld des Rotors nicht permanent erzeugt. Die um den Rotor gewickelte Kupferdrahtspule wird lediglich temporär magnetisiert. FSM und FSS sind im Vergleich zu PSM etwas weniger effizient, dafür ist ihre Herstellung kostengünstiger.

Asynchronmotoren nutzen einen Drehzahlunterschied zwischen Rotor und dem Magnetfeld des Stators. Letzteres muss mit einer höheren Drehzahl laufen als der Rotor, damit dieser dem Magnetfeld des Stators „hinterherlaufen“ kann. Das Magnetfeld des Rotors wird dabei durch Induktion erzeugt. Asynchronmotoren besitzen keine Permanentmagnete und funktionieren ganz ohne mechanische – und damit verschleißanfällige – Stromzufuhr im Rotor. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich ASM deaktivieren lassen. Sie können mit Freilauf mitlaufen und verbrauchen dabei keine Energie. Aus diesem Grund spielen ASM vor allem bei Langstreckenmodellen eine Rolle. Ihr Nachteil: Asynchronmotoren benötigen bei gleicher Leistung rund 30 Prozent mehr Energie als Synchronmotoren.


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28. Januar 2025
Elektromobilität

Text: Silvia Sarcar. Fotos: Getty Images.

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