Wer im Elektroauto aufs Fahrpedal tritt, aktiviert in den meisten Fällen einen permanentmagneterregten Synchronmotor, kurz PSM genannt. Seine Stärke liegt in der Kombination aus hohem Wirkungsgrad, großer Leistungsdichte und kompakter Bauweise. Aber es gibt auch ein Problem.
Das Grundprinzip im PSM ist zunächst einfach. Im feststehenden Teil des Motors, dem Stator, sitzen Kupferspulen. Der Wechselrichter des Autos formt den Gleichstrom der Batterie in mehrphasigen Wechselstrom um. Dadurch entsteht im Stator ein Magnetfeld, das sich im Kreis dreht. Der Rotor im Inneren trägt starke Permanentmagnete und richtet sich nach diesem umlaufenden Magnetfeld aus. Er rotiert deshalb mit derselben Geschwindigkeit wie das Magnetfeld – daher die Bezeichnung „synchron“. Das Drehmoment lässt sich über Stromstärke und Phasenlage präzise regeln.
PSM: Eigenschaft "permanent"
Entscheidend beim PSM ist die Eigenschaft "permanent". Der Rotor muss sein Magnetfeld nicht erst elektrisch erzeugen. Damit entfallen dort Erregerstrom und die damit verbundenen Kupferverluste. Das steigert den Wirkungsgrad und erlaubt einen einfach aufgebauten, kompakten Rotor. Besonders verbreitet sind sogenannte IPM-Motoren, bei denen die Magnete nicht auf der Rotoroberfläche sitzen, sondern in das Eisenpaket eingebettet sind. Diese Konstruktion schützt die Magnete bei hohen Drehzahlen und nutzt zusätzlich den sogenannten Reluktanzeffekt: Der Rotor versucht dabei auch aufgrund seiner geometrischen Form eine energetisch günstige Position zum Magnetfeld einzunehmen. Auf diese Weise entsteht zusätzliches Drehmoment.
Ganz ohne Kompromisse funktioniert der PSM allerdings nicht. Bei hoher Drehzahl erzeugen die Permanentmagnete eine starke Gegenspannung. Die Leistungselektronik muss das Magnetfeld deshalb teilweise durch sogenanntes Feldschwächen kompensieren. Zudem dürfen die Magnete nicht zu heiß werden, weil sie sonst dauerhaft an Magnetkraft verlieren können. Eine leistungsfähige Kühlung ist deshalb wichtig. Dafür erreichen PSM-Antriebe über große Bereiche des im Alltag relevanten Kennfelds sehr hohe Wirkungsgrade. Bosch beispielsweise nennt für seine komplette E-Achse mit je nach Ausführung permanentmagneterregtem Synchron- oder Asynchronmotor bis zu 93 Prozent.
Technik verstehen - Vom Elektroantrieb zum Scheinwerfer
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Der technische Aufstieg des PSM hängt eng mit Fortschritten bei Permanentmagneten und Leistungselektronik zusammen. Einen wichtigen Schub brachten Anfang der 1980er-Jahre Neodym-Eisen-Bor-Magnete, die unabhängig voneinander bei General Motors und Sumitomo entwickelt wurden. Ihre hohe magnetische Energiedichte ermöglichte wesentlich kleinere und leistungsfähigere Motoren. Mit leistungsfähigen Transistoren, digitalen Motorsteuerungen und immer besseren Magnetwerkstoffen wurde die Technik schließlich attraktiv für Hybrid- und Elektrofahrzeuge.
Heute gilt die innenliegende Permanentmagnetmaschine als dominierende Bauform elektrischer Traktionsmotoren. Sie ist vor allem in Volumenmodellen deutlich stärker verbreitet als fremderregte Motoren und Asynchronmotoren (SAM).
Größter Schwachpunkt: Rohstoffkette
Der größte Schwachpunkt des PSM liegt weniger im Fahrbetrieb als in der Rohstoffkette. Hochleistungsmagnete bestehen meist aus Neodym-Eisen-Bor und können weitere Seltene Erden enthalten, die ihre Temperaturbeständigkeit verbessern. Gewinnung und Verarbeitung dieser Rohstoffe sind ökologisch problematisch und geografisch stark konzentriert. Faktisch hat China aktuell ein Quasi-Monopol. Hersteller versuchen daher, die benötigte Magnetmenge zu verringern oder auf besonders kritische schwere Seltene Erden weitgehend zu verzichten. Fortschritte bei Kühlung und Motorkonstruktion helfen dabei.
PSM ist keineswegs alternativlos. Asynchronmotoren (ASM) kommen ohne Permanentmagnete aus, müssen das Magnetfeld im Rotor jedoch elektrisch induzieren und sind daher weniger effizient. Gleiches gilt für fremderregte Synchronmotoren, die das Rotorfeld mit Spulen erzeugen. Unternehmen wie ZF entwickeln Varianten, bei denen der benötigte Strom kontaktlos in den Rotor übertragen wird. Auch Synchron- und geschaltete Reluktanzmotoren verzichten auf seltene Magnetwerkstoffe, stellen Entwickler aber vor andere Herausforderungen etwa bei Leistungsdichte, Geräuschen und Regelung.
Die Suche nach dem idealen E-Motor ist deshalb nicht beendet: Künftig könnte weniger eine einzige Bauart gewinnen als vielmehr ein Wettbewerb darum entstehen, Effizienz, Rohstoffbedarf, Kosten und Fahrleistung für den jeweiligen Fahrzeugtyp am besten auszubalancieren.
