Elektromotoren galten eigentlich als ausentwickelt. Aber der Einsatz in E-Autos gab der Suche nach Optimierungen neuen Schub, da das Anforderungsprofil sich gegenüber bisherigen Anwendungen stark veränderte. Bei den meisten stationären Anwendungen spielten Drosselung und Drehzahlvariationen weniger eine Rolle, beim Einsatz in Zügen ist das Gewicht schließlich nicht so wichtig.
Wie hoch soll ein E-Motor drehen?
Generell definiert sich die Leistung eines Motors als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Vereinfacht gesagt erzeugt ein Elektromotor um so mehr Drehmoment, je höher die Stromstärke, die durch die Spulen fließt. Beim Taycan-Motor gelang es Porsche beispielsweise mittels der so genannten Hairpin-Wicklung mehr Kupferdraht im Motor unterzubringen, was wiederum erlaubt, mehr Strom fließen zu lassen und so mehr Drehmoment bringt. Die Drehzahl eines E-Motors wächst hingegen um so mehr, je höher die angelegte Spannung ist. Das passt zur elektrischen Leistung, die als Produkt aus Strom und Spannung definiert ist.
Die Effizienz von Elektromotoren ist generell sehr gut. Sie erreicht meist Werte um die 95 Prozent – im Peak. Der Wirkungsgrad ist aber drehzahlabhängig. Typischerweise generieren Elektromotoren ihr höchstes Drehmoment schon bei sehr niedrigen Drehzahlen, entwickeln schon aus dem Stillstand große Kraft, die höchste Effizienz hingegen erreichen sie erst bei einer gewissen Drehzahl. Typische Elektromotoren in E-Autos drehen vergleichsweise hoch. Die Maschine im Taycan etwa 16.000/min. Der Drehzahlbereich mit dem bestem Wirkungsgrad (95 bis 96 Prozent) liegt hier im Bereich zwischen 7.000 – 10.000/min. Typische Raddrehzahlen liegen eher immer Bereich bis maximal 2.500/min. Damit ist klar: Zwischen Rad und Motor muss eine Untersetzung her. Die hat zwar aktuell meist nur eine Stufe, muss aber die erwähnten hohen Drehmomente übertragen und ist oft entsprechend kräftig dimensioniert und somit schwer. Im Taycan gibt es für die Hinterachse sogar ein Zweiganggetriebe, das eine noch bessere Beschleunigung erlaubt. Das Getriebe wiegt etwa 75 Kilogramm.
Neben Drehmoment ist auch Effizienz drehzahlabhängig
Egal bei welcher Drehzahl die Effizienz eines E-Motors am größten ist: Je näher sein Drehzahlbereich am Bereich der Raddrehzahl liegt, desto häufiger arbeitet er mit höchster Effizienz. Und sollte er mit Drehzahlen unterhalb von 3.000/min klar kommen beziehungsweise das erforderliche Drehmoment im Bereich der Raddrehzahl erzeugen, könnte man sich sogar ein Eingang-Getriebe sparen und damit Gewicht sowie Reibungsverluste.
Die amerikanische Firma LinearLabs hat einen solchen Motor entwickelt – wenn auch nicht mit dem Ziel, ihn ohne Getriebe in einem Auto einzusetzen. Dementsprechend gibt es auch noch kein Fahrzeug mit dem Motor, aber ein paar Berechnungen. Die Gründer von LinearLabs, Brad (Sohn und jetzt CEO) und Fred (Vater und CTO) Hunstable waren vielmehr auf der Suche nach einem Generator, der Strom an der Welle einer Windmühle erzeugen sollte, wo die Drehzahl niedrig und das Drehmoment hoch ist. Die Entwicklung führte vom Generator auch zu Motoren, die quasi umgekehrt arbeiten und elektrische Energie in kinetische verwandeln; in E-Autos fungieren sie beim Rekuperieren zudem zwischenzeitlich als Generator und speisen aus der Rollbewegung zurückgewonnene Energie wieder in die Batterie ein.
Dreifache Leistungsdichte für die Elektro-Turbine
Die drehmomentstarke, aber drehzahlarme Charakteristik übertrug sich bei der Entwicklung – die Hunstables halten inzwischen 27 Patente und haben 34 weitere angemeldet – vom Generator auf den Motor. Die Firmengründer nennen ihre Entwicklung "Hunstable Electric Turbine", kurz HET. Die Maschine soll, verglichen mit einem herkömmlichen Motor gleicher Größe, doppelt so viel Drehmoment und Leistung haben und aufs Gewicht bezogen die dreifache Leistungsdichte.
In einem Diagramm lässt sich ablesen, dass die HET bei 500/min etwa 16 Prozent effizienter ist als handelsübliche E-Motoren, bei 1.000/min liegt der Vorteil noch bei zirka 13 Prozent, bei 3.000/min nur noch bei fünf Prozent. In der Spitze kommen beide verglichenen Motoren auf 95 Prozent. Die HET erreicht diesen Peak bei 3.000/min, liegt bei 1.000/min bereits bei 90 Prozent. Zusammen mit dem Vorteil des eingesparten Getriebes verspricht LinearLab zehn bis 20 Prozent Prozent mehr Reichweite bei automobilen Anwendungen. Zudem könne man sich den in aktuellen E-Autos notwendigen DC-DC-Wandler, der das Verhätlnis von Stromstärke und Spannung entsprechend der Anforderungen des Fahrprofils/der Lastanforderungen ändert, sparen. Die niedrigeren Drehzahlen seien auch generell gut für die Effizienz.
Warum ist die Hunstable Electric Turbine so drehmomentstark?
LinearLab beschreibt die HET als Vierfach-E-Motor. Tatsächlich beinhaltet die HET quasi zwei (konzentrische) Radialmotoren und zwei Linear-Motoren. Bei Radialmotoren dreht sich vereinfacht gesagt eine Komponente (Spulen, Leiter, Magnete) in einer anderen. Das sieht so aus, wie man sich E-Motoren vorstellt, zum Beispiel ein Rotor mit drei oder vier Flügeln dreht sich in einem Stator. Beim HET dreht sich außerhalb des Stators ein zweiter Rotor um den Stator, in dem bei der HET separate, rechteckige Spulen sitzen.
Das spart laut LinearLab etwa 30 Prozent Kupfer; vor allem soll der Anteil der Kupferleiter außerhalb des Magnetfeldes erheblich geringer sein, außerdem gibt es weniger Magnetfeld, dass auf keinen Kupferleiter wirkt. Damit geht quasi weniger Magnetfeld "verloren", die Effizienz steigt.
Hinzu kommen zwei konzentrische Linearmotoren auf derselben Zentralwelle. Bei Linearmotoren drehen sich die Komponenten nebeneinander, beispielsweise zwei Schwungräder, die eine zentrale stationäre Platte einschließen. All das integriert die HET in einem kompakten Gehäuse. Dabei zeigt laut LinearLab das gesamte magnetische Drehmoment in Richtung Rotorbewegung, wodurch eine Art "Drehmomenttunnel" entsteht. Wie das geometrisch aussieht, zeigt das Firmenvideo.
Fazit
Von wegen Elektromotorentechnik ist langweilig und weniger ausgeklügelt wie die von Verbrennungsmotoren. Konstruktionen wie die HET oder auch Equipmake Ampere zeigen: Im Thema E-Motor steckt erhebliches Potenzial und die Lösungen können ähnlich faszinierend sein wie variable Ventilsteuerung oder Verdichtung und mehrstufige Turboaufladungen.
Die versprochenen zehn bis 20 Prozent mehr Reichweite wären typischerweise 35 bis 70 Kilometer – immerhin eine klassische Pendlerstrecke. Und das Gewicht stiege dann nicht wie bei einer größeren Batterie, sondern würde geringer. Angesichts von 500 bis 700 Kilogramm schweren Akkus sicher eine willkommene Einsparung.
