Hand in Hand mit der Klimakrise geht der Trend weg von Verbrennungs- hin zu Elektromotoren, vor allem natürlich für den Einsatz in der Elektromobilität. Häufig ist einem nicht bewusst, wie viele Elektromotoren im täglichen Umfeld am Werk sind – nämlich immer dann, wen sich auf Knopfdruck etwas bewegt, sei es die elektrische Zahnbürste, die Waschmaschine oder das Garagentor. Wie ein Elektromotor funktioniert, wofür er eingesetzt wird und wie man ihn reparieren kann.
Wie ein Elektromotor funktioniert
Einfach ausgedrückt erzeugt ein Elektromotor aus elektrischer Leistung mechanische Leistung. Soweit so gut. Dafür notwendig ist ein Stromanschluss oder eine Batterie, um die elektrische Energie erst einmal zuzuführen. Der mechanische Abtrieb ist meist als Welle ausgeführt, dreht sich und dient als Antrieb für das verwendete Gerät. Der elektrische Strom hat magnetische Wirkung. Dies wurde 1820 von Hans Christian Ørsted entdeckt, im gleichen Jahr, in dem André-Marie Ampére die Zylinderspule erfand. Den ersten rotierenden Elektromotor entwickelte Moritz Herman Jacobi 1834. Er hatte eine Leistung von circa 15 Watt (SI-Einheit der Leistung). 1866 verdrängte der Elektromotor Schritt für Schritt die bis dato genutzten Dampfmaschinen.
Ein Elektromotor verfügt über einen Dauermagneten, zwischen den Polen wird ein drehbares Eisenteil gelagert, um das eine Spule aus isolierten Kupferdraht gewickelt wird (siehe Bild unten) . Fließt durch die Spule Gleichstrom, baut sich ein Magnetfeld auf und der Eisenkern wird zum Elektromagneten. Dieser ist drehbar und richtet sich so aus, dass immer die ungleichen Pole der beiden Magneten gegenüberstehen.
Ein einfacher Gleichstrommotor mit Bürsten
© MichaelFrey/WikimediaDamit der Motor sich weiter dreht, wird nun die magnetische Ausrichtung umgepolt, indem die Stromrichtung in der Spule mittels eines Schleifringes geändert wird: Kurz bevor der Elektromagnet die optimale Ausrichtung erreicht hat, wird der Strom über den Schleifring abgeschaltet und gleich darauf mit umgekehrter Polung wieder eingeschaltet. Das Magnetfeld polt sich um, es stehen nun gleiche Magnetpole gegenüber und stoßen sich ab. Der Anker dreht sich weiter bis sich die ungleichen Magnetpole wieder anziehen. Der Strom wird wieder umgepolt und der Ablauf beginnt von neuem.
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Welche unterschiedlichen Elektromotoren es gibt
Der wesentlichste Unterschied zwischen den Elektromotoren liegt in der Stromversorgung. Diese kann mit Gleichstrom, Wechselstrom oder Drehstrom erfolgen. Aber auch bei den Magnetfeldern gibt es Unterschiede. Neben starken Dauermagneten kommen auch Elektromagnete zum Einsatz. Drehstrommotoren kommen immer dann zum Einsatz, wenn eine größere elektrische Leistung notwendig ist, beispielsweise in Industriebetrieben.
Beim Gleichstrommotor ziehen sich – wie beschrieben - Nordpol und Südpol von Stator und Rotor jeweils an, sodass sich der Motor dreht. Die Drehzahl, Leistungsdichte und Wirkungsgrad sind geringer als beim Drehstrommotor, zudem ist der Wartungsaufwand der Bürsten recht hoch.
Beim Drehstrommotor werden mindestens drei Elektromagnet-Spulen um 120° versetzt angeordnet und mit jeweils einer Leiterspannungsphase des Drehstromsystems gespeist. In jeder Spule entsteht ein Magnetfeld, dessen zeitlicher Ablauf um eine Drittelperiode versetzt ist. Daraus ergibt sich ein drehendes Magnetfeld, in dessen Zentrum ein drehbar gelagerter Magnet (der Rotor) angebracht ist, der eine Drehbewegung versetzt wird.
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Der Einsatz von Elektromotoren in E-Fahrzeugen
In modernen Elektrofahrzeugen - wie dem E-Bike oder E-Moped - kommen nahezu ausschließlich Drehstrommotoren zum Einsatz. Angebracht werden sie meist in unmittelbarer Nähe zu den Achsen, die mechanische Kopplung mit den Rädern erfolgt auf unterschiedliche Weise über ein Untersetzungsgetriebe und Antriebswellen oder als Radnabenmotor.
Das Getriebe ist in den allermeisten Fällen ein Eingang-Getriebe, das die Drehzahl des Motors in der Regel um den Faktor 1:10 reduziert. Für den Fahrer des E-Autos ist die Handhabung wie ein Automatik-Getriebe beim Verbrennungsmotor. Es gibt zwar auch Tendenzen zum Zwei-Gang-Getriebe, dies bringt allerdings kaum Einsparungen, aber dafür höhere Kosten.
Warum benötigen E-Autos kein Getriebe? Elektromotoren können in einem viel breiteren Drehzahlbereich genutzt werden als Verbrennungsmotoren. Das maximale Drehmoment liegt bereits aus dem Stand an, weder Kupplung noch Schaltgetriebe sind also notwendig. Und weil E-Maschinen in beiden Richtungen laufen können, brauchen Elektroautos nicht zwingend einen separaten Rückwärtsgang.
TIPP:
Was die Vor- und Nachteile sind
Der große Vorteil des Elektromotors liegt auf der Hand: Er ist eine Alternative zu den fossilen Brennstoffen. Er produziert keinerlei Abgase und ist im Betrieb CO2-neutral.
Was bis vor kurzem noch als Vorteil galt – nämlich die bis vor wenigen Wochen geringen Stromkosten – scheint derzeit nicht gesichert. Hier muss man die weiteren Entwicklungen am Strommarkt abwarten. Dennoch hat der Elektromotor eine höheren Wirkungsgrad als zum Beispiel die Brennstoffzelle eines Wasserstoffautos und daraus resultierend eine hohe Energieeffizienz. Zudem ermöglicht er ein weitaus geräuschärmeres Fahren.
In jedem Fall ist der Elektromotor teurer in der Anschaffung. Die als Stromquelle benötigte Batterie treibt den Preis in die Höhe. Ein weiterer Nachteil: Öffentliche Ladestationen sind in Österreich und Europa noch nicht in der benötigen Dichte vorhanden, und auch die Batterie-Technik ist noch nicht vollständig ausgereift.
Tipps für den Kauf und die Reparatur
Elektromotoren mit rund 30 kW Leistung beginnen bei etwa 2.000 Euro. Für Akkus kommen 6.000 bis 8.000 Euro hinzu. Komplette Bausätze starten bei ungefähr 10.000 Euro. Mehr Leistung und Reichweite treiben die Kosten nach oben, je nach Umfang steigt der Preis auf 20.000 Euro – bei eigenhändigem Zusammenbau. Wenn man den Motor seines Elektroautos tauschen möchte, sollte man dies in jedem Fall in einer Fachwerkstatt machen lassen, denn moderne Elektrofahrzeuge sind mit einem Hochvolt-System ausgestattet. Diese Spannungen für den menschlichen Organismus gefährlich und können auch zum Tod führen, wenn man nicht weiß, was man tut.
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Für die Reparatur eines Elektromotors wendet man sich daher ebenfalls am besten an eine der zahlreichen Fachwerkstätten. Arbeitssicherheit sollte immer an oberster Stelle stehen, gerade bei Stromarbeiten. Die Anforderungen sind nur bedingt mit denen einer herkömmlichen Autowerkstatt zu vergleichen – die Mitarbeiter müssen eine spezielle Ausbildung für den Umgang mit E-Motoren haben. Für die Reparatur von E-Fahrzeugen zertifizierte Werkstätten sind in jedem Fall die bessere Wahl.
Bei Problemen mit Elektromotoren ist nicht immer sofort ersichtlich, ob der Motor defekt ist oder nicht. Für eine sichere Fehlerdiagnose sind Messgeräte sowie Sachverstand unumgänglich. Wenn man über beides verfügt, findet man im Internet zahlreiche Anleitungen zur Fehlerdiagnose.
Auch für den Laien anzuwenden ist jedoch der sogenannte Nasentest: Wenn man nach der Abdeckung des Klemmenkasten einen beißenden, rauchigen Geruch feststellt, ist der Motor mit Sicherheit nicht mehr zu gebrauchen.
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