Der Antrieb eines Brennstoffzellenfahrzeuges erfolgt über einen elektrischen Antriebsmotor, welcher elektrische in mechanische Energie wandelt. Dieser ist in vielen Konfigurationen zudem als Generator verwendbar und ermöglicht die Energierückgewinnung (Rekuperation) im Fahrbetrieb, daher wird als Oberbegriff von einer E-Maschine gesprochen.
Anforderungen einer E-Maschine:
- Hohe Wirkungsgrade
- Vermeidung/Reduktion kritischer Materialen (z.B.: seltenen Erden)
- Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen
- konstanter Drehmomentverlauf über das verfügbare Drehzahlband
- Geringe Verschleißeigenschaften bzw. hohe Lebensdauer
- Hohe Leistungsdichte und somit geringer Bauraumbedarf
- Geringe Geräuschemission und vibrationsarmer Lauf
Arten:
Man unterscheidet die Arten der E-Motoren grundsätzlich in Gleichstrom- (DC) und Wechselstrommotoren (AC) und untergliedert diese in ein- oder dreiphasig betriebene Motoren. Aktuell werden meist folgende Traktionsmotoren im elektrischen Antriebsstrang verwendet:
- PSM – Permanenterregter Synchronmotor (AC, 3-phasig)
- FSM – Fremderregter Synchronmotor (AC, 3-phasig)
- ASM – Asynchronmotor (AC, 3-phasig)
Aufgrund der hohen Leistungs- und Effizienzanforderungen in diesen Antriebsstrangen werden Gleichstrommotoren selten verwendet.
Permanenterregter Synchronmotor (PSM)
Diese Motoren erzielen hohe Wirkungsgrade (bis zu 95 %) bei gleichzeitiger hoher volumetrischer und gravimetrischer Leistungsdichte durch den Einsatz starker, kostenintensiver Permanentmagnete. Bei permanenterregten Synchronmotoren sinkt die Effizienz jedoch bei hohen Drehzahlen. Aufgrund des materialspezifischen Curie-Punktes ist die Betriebstemperatur der Dauermagnete begrenzt. Nachteilig ist, dass die benötigten Materialen für die Rotormagnete aus seltenen Erden wie Neodym und Dysprosium bestehen. Sie verfügen durch die kompakte Bauweise über eine hohe Leistungsdichte. Diese Motoren werden durch ihre Eigenschaften meist in Mittel-, Oberklasse sowie Performance-Fahrzeugen verbaut.
Fremderregter Synchronmotor (FSM)
Die Effizienz der fremderregten Synchronmotoren ist mit rund 93 % etwas geringer als die vom permanenterregten Synchronmotor. Dies ist im wenig abweichenden Aufbau zu begründen. Es kommen stromdurchflossene Spulenwicklung statt Dauermagnete zum Einsatz. Diese können mittels Schleifkontakten (verschleißbehaftet) oder induktiv (lt. Stand der Forschung verschleißfrei) mit elektrischem Strom versorgt werden. Der größere Bauraum des Spulenpaketes am Rotor führt zu einer geringeren volumetrischer und gravimetrischer Leistungsdichte im Vergleich zum PSM. Die Motoren werden aufgrund Ihrer Eigenschaften wie höherer Verschleiß und geringeren Kosten im Vergleich zu PSM im kostenempfindlichen Fahrzeug-Marktsegment eingesetzt.
Asynchronmotor (ASM)
Der Asynchronmotor arbeitet mit ca. 90 % Wirkungsgrad etwas ineffizienter als PSM und FSM-Motoren. Bei höheren Drehzahlen kann sich dieser den erwähnten Varianten allerdings annähern. Es werden keine seltenen Erden benötigt. Der ASM trägt seinen Namen aufgrund des auftretenden Nachlaufes zwischen Rotor und Stator. Diese leichte Verzögerung wird Schlupf genannt. Durch seine dadurch auftretende Drehmomentcharakteristik und vorteilhafte Eigenschaften im Segelbetrieb sind Anwendungen bei Langstreckenfahrzeugen und Sonderfahrzeugen zu finden.
Literatur
[1] A. Kampker und H. H. Heimes, Elektromobilität. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2024.
[2] M. Hilgers, Alternative Powertrains and Extensions to the Conventional Powertrain. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2023.
[3] P. Komarnicki, J. Haubrock und Z. A. Styczynski, Elektromobilität und Sektorenkopplung: Infrastruktur- und Systemkomponenten, 2. Aufl. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg, 2020.
