Warum werden Permanentmagnet-Synchronmotoren zu den Hauptantriebsmotoren?
Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um und überträgt diese über das Getriebe auf die Räder, um das Fahrzeug anzutreiben. Er ist eines der Kernantriebssysteme von Elektrofahrzeugen. Aktuell werden in Elektrofahrzeugen hauptsächlich Permanentmagnet-Synchronmotoren und Wechselstrom-Asynchronmotoren eingesetzt. Die meisten Elektrofahrzeuge verwenden Permanentmagnet-Synchronmotoren. Zu den bekanntesten Herstellern gehören BYD und Li Auto. Einige Fahrzeuge nutzen Wechselstrom-Asynchronmotoren. Elektromotoren werden beispielsweise von Tesla und Mercedes-Benz verwendet.
Ein Asynchronmotor besteht im Wesentlichen aus einem stationären Stator und einem rotierenden Rotor. Sobald die Statorwicklung an eine Wechselstromversorgung angeschlossen wird, rotiert der Rotor und erzeugt Leistung. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass die Statorwicklung bei Bestromung (Wechselstrom) ein rotierendes elektromagnetisches Feld erzeugt. Die Rotorwicklung ist ein geschlossener Leiter, der die magnetischen Induktionslinien des Stators im rotierenden Magnetfeld kontinuierlich schneidet. Gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz wird beim Schneiden der magnetischen Induktionslinien durch einen geschlossenen Leiter ein Strom induziert, der wiederum ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Es existieren somit zwei elektromagnetische Felder: das Statorfeld, das durch den externen Wechselstrom entsteht, und das Rotorfeld, das durch das Schneiden der magnetischen Induktionslinien im Stator erzeugt wird. Nach dem Lenzschen Gesetz wirkt der induzierte Strom stets der Ursache des induzierten Stroms entgegen, d. h. er versucht, ein Schneiden der magnetischen Induktionslinien durch die Leiter auf dem Rotor zu verhindern. Das Ergebnis ist: Die Leiterbahnen des Rotors gleichen sich dem rotierenden Magnetfeld des Stators an. Das bedeutet, dass der Rotor dem rotierenden Magnetfeld des Stators folgt und der Motor schließlich in Rotation versetzt wird. Dabei laufen Rotor (n₂) und Stator (n₁) nicht synchron (die Drehzahldifferenz beträgt etwa 2–6 %). Daher spricht man von einem Asynchron-Wechselstrommotor. Sind die Drehzahlen hingegen gleich, handelt es sich um einen Synchronmotor.
Der Permanentmagnet-Synchronmotor ist ebenfalls ein Wechselstrommotor. Sein Rotor besteht aus Stahl mit Permanentmagneten. Im Betrieb wird der Stator bestromt und erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor in Rotation versetzt. „Synchronisation“ bedeutet, dass die Drehzahl des Rotors im stationären Betrieb mit der Drehzahl des Magnetfelds übereinstimmt. Permanentmagnet-Synchronmotoren zeichnen sich durch ein hohes Leistungsgewicht, kleinere Abmessungen, ein geringeres Gewicht, ein hohes Drehmoment sowie exzellente Grenzdrehzahlen und Bremsleistung aus. Daher sind sie heute die am weitesten verbreiteten Elektromotoren in Elektrofahrzeugen. Allerdings kann die magnetische Permeabilität des Permanentmagnetmaterials bei Vibrationen, hohen Temperaturen und Überlastströmen abnehmen oder es kann zu Entmagnetisierung kommen, was die Leistung des Permanentmagnetmotors beeinträchtigen kann. Zudem verwenden Seltenerd-Permanentmagnet-Synchronmotoren Seltenerdmetalle, deren Herstellungskosten schwanken.
Im Vergleich zu Permanentmagnet-Synchronmotoren benötigen Asynchronmotoren im Betrieb elektrische Energie zur Erregung, was den Energieverbrauch erhöht und den Wirkungsgrad des Motors verringert. Permanentmagnetmotoren sind aufgrund der Permanentmagnete teurer.
Modelle, die sich für AC-Asynchronmotoren entscheiden, legen in der Regel Wert auf Leistung und nutzen die Vorteile dieser Motoren hinsichtlich Leistung und Effizienz bei hohen Drehzahlen. Ein typisches Beispiel ist das frühe Model S. Hauptmerkmale: Bei hohen Geschwindigkeiten kann das Fahrzeug einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und eine effiziente Nutzung der elektrischen Energie beibehalten, wodurch der Energieverbrauch bei maximaler Leistungsabgabe reduziert wird;
Modelle mit Permanentmagnet-Synchronmotoren legen Wert auf geringen Energieverbrauch und nutzen deren hohe Leistung und Effizienz bei niedrigen Drehzahlen. Dadurch eignen sie sich besonders für Klein- und Mittelklassewagen. Zu ihren Merkmalen zählen geringe Größe, niedriges Gewicht und lange Akkulaufzeit. Gleichzeitig bieten sie eine gute Drehzahlregelung und gewährleisten auch bei häufigem Anfahren, Anhalten, Beschleunigen und Bremsen einen hohen Wirkungsgrad.
Permanentmagnet-Synchronmotoren dominieren. Laut Statistiken der „Monatlichen Datenbank zur Wertschöpfungskette der New Energy Vehicle Industry Chain“ des Advanced Industry Research Institute (GGII) betrug die installierte Kapazität von Antriebsmotoren für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben in China von Januar bis August 2022 rund 3,478 Millionen Einheiten, ein Anstieg von 101 % gegenüber dem Vorjahr. Davon entfielen 3,329 Millionen Einheiten auf Permanentmagnet-Synchronmotoren (plus 106 %) und 1,295 Millionen Einheiten auf Wechselstrom-Asynchronmotoren (plus 22 %).
Permanentmagnet-Synchronmotoren haben sich im Markt für rein elektrische Pkw zu den wichtigsten Antriebsmotoren entwickelt.
Betrachtet man die Motorenauswahl für gängige Modelle im In- und Ausland, so verwenden die von chinesischen Herstellern wie SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor und Denza Motors angebotenen Fahrzeuge mit alternativen Antrieben allesamt Permanentmagnet-Synchronmotoren. Permanentmagnet-Synchronmotoren werden hauptsächlich in China eingesetzt. Dies liegt zum einen an ihrem guten Fahrverhalten bei niedrigen Drehzahlen und ihrem hohen Wirkungsgrad, wodurch sie sich ideal für die komplexen Betriebsbedingungen mit häufigen Anfahr- und Stoppvorgängen im Stadtverkehr eignen. Zum anderen sind die in Permanentmagnet-Synchronmotoren verwendeten Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete (NdFeB) von Bedeutung. Da für die Herstellung dieser Materialien Seltene Erden benötigt werden und China über 70 % der weltweiten Seltene-Erden-Vorkommen verfügt und 80 % der weltweiten NdFeB-Magnetmaterialien produziert, setzt China verstärkt auf Permanentmagnet-Synchronmotoren.
Die ausländischen Hersteller Tesla und BMW nutzen Permanentmagnet-Synchronmotoren und Wechselstrom-Asynchronmotoren für ihre gemeinsame Entwicklung. Hinsichtlich der Anwendungsstruktur ist der Permanentmagnet-Synchronmotor die gängigste Wahl für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben.
Die Kosten für Permanentmagnetmaterialien machen etwa 30 % der Gesamtkosten von Permanentmagnet-Synchronmotoren aus. Zu den Rohstoffen für die Herstellung von Permanentmagnet-Synchronmotoren zählen hauptsächlich Neodym-Eisen-Bor, Siliziumstahlbleche, Kupfer und Aluminium. Neodym-Eisen-Bor wird vorwiegend für die Rotor-Permanentmagnete verwendet und hat einen Kostenanteil von etwa 30 %. Siliziumstahlbleche werden hauptsächlich für die Herstellung kundenspezifischer Rotorkerne verwendet und machen etwa 20 % der Kosten aus. Die Kosten der Statorwicklung belaufen sich auf etwa 15 %, die der Motorwelle auf etwa 5 % und das des Motorgehäuses auf etwa 15 %.
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Der Permanentmagnet-Synchronmotor besteht hauptsächlich aus Stator, Rotor und Gehäuse. Wie bei herkömmlichen Wechselstrommotoren ist der Statorkern laminiert, um die Eisenverluste durch Wirbelströme und Hystereseeffekte im Betrieb zu reduzieren. Die Wicklungen sind üblicherweise dreiphasig und symmetrisch, die Parameterwahl unterscheidet sich jedoch deutlich. Der Rotor kann verschiedene Formen annehmen, darunter Permanentmagnetrotoren mit Anlaufkäfig und eingebettete oder oberflächenmontierte Vollpermanentmagnetrotoren. Der Rotorkern kann massiv oder laminiert sein. Der Rotor ist mit Permanentmagneten bestückt, die üblicherweise als Magnete bezeichnet werden.
Im Normalbetrieb eines Permanentmagnetmotors sind die Magnetfelder von Rotor und Stator synchron. Im Rotor wird kein Strom induziert, und es treten weder Kupferverluste noch Hysterese- oder Wirbelstromverluste auf. Rotorverluste und Erwärmung spielen daher keine Rolle. Permanentmagnetmotoren werden üblicherweise über einen Frequenzumrichter angetrieben und verfügen daher über eine Sanftanlauffunktion. Da es sich um Synchronmotoren handelt, lässt sich der Leistungsfaktor über die Erregerstärke einstellen und somit auf einen vorgegebenen Wert auslegen.
Ausgehend von diesem Ansatz ist der Anlaufvorgang des Permanentmagnetmotors aufgrund der Tatsache, dass er über ein Netzteil mit variabler Frequenz oder einen unterstützenden Umrichter gestartet wird, sehr einfach; er ähnelt dem Anlauf eines Motors mit variabler Frequenz und vermeidet die Anlaufprobleme gewöhnlicher Käfigläufer-Asynchronmotoren.
Kurz gesagt, der Wirkungsgrad und der Leistungsfaktor von Permanentmagnetmotoren können sehr hoch sein, die Struktur ist sehr einfach, und der Markt hat sich in den letzten zehn Jahren sehr stark entwickelt.
Der Erregungsausfall ist bei Permanentmagnetmotoren jedoch ein unvermeidbares Problem. Bei zu hohem Strom oder zu hoher Temperatur steigt die Temperatur der Motorwicklungen sprunghaft an, der Strom nimmt rapide zu und die Permanentmagnete verlieren schnell die Erregung. Um ein Durchbrennen der Statorwicklung zu verhindern, ist in der Permanentmagnetmotorsteuerung zwar ein Überstromschutz eingebaut, der daraus resultierende Erregungsausfall und die Anlagenabschaltung sind aber dennoch unvermeidlich.
Veröffentlichungsdatum: 12. Dezember 2023
