SIEMENS

Es klingt nach einem Erfindertraum: Ein Motor, der fast 100 Prozent der Energie, mit der man ihn füttert, in Fortbewegung verwandelt. Der aus dem Stand ein Fahrzeug völlig gleichmäßig mit sanfter Kraft beschleunigt. Und der so kompakt ist, dass man für ihn keinen Motorraum mehr braucht, sondern ihn direkt in die Achse oder am Rad verbauen kann. Dieses Idealbild ist alles andere als ein Traum, sondern heute der Realität ziemlich nahe – wenn statt des üblichen Verbrennungsmotors ein Elektromotor das Auto antreibt.

„Eigentlich ist der Elektromotor der perfekte Antrieb“, sagt Dr. Karsten Michels, der im Siemens-Sektor Industry die Entwicklung der Geschäftseinheit „Inside e-Car“ leitet. Doch die Entwicklung der elektrischen Kraftspender hat ihre Tücken. Siemens baut zwar seit rund 150 Jahren Elektromotoren, doch man kann nicht einfach ins Regal greifen, einen Industrie-Elektromotor herausziehen und in ein Serienfahrzeug einbauen. Denn die Ansprüche der Automobilkunden sind hoch: So soll ein Automotor hochautomatisiert in zehntausendfacher Stückzahl gebaut werden. Er soll bei hoher Leistung möglichst wenig wiegen, auch bei extremen Temperaturschwankungen funktionieren und so effizient wie möglich arbeiten.

Welches Entwicklungsziel oberste Priorität hat, hängt auch davon ab, welche speziellen Anforderungen der Fahrzeughersteller stellt. Denn so, wie es Otto- und Dieselmotoren gibt, unterscheiden sich auch die elektrischen Antriebe. Fast ausnahmslos kommen derzeit entweder „elektrisch erregte“ Asynchronmaschinen oder „permanent erregte“ Synchronmotoren zum Einsatz. Eine Asynchronmaschine fällt bei gleicher Leistung etwa 10 bis 15 Prozent schwerer und größer aus, die Leistungsdichte ist geringer. Doch einen strategischen Vorteil hat dieser Motor: Man braucht keine Permanentmagnete, weil das magnetische Feld durch den Stromfluss selbst erzeugt wird. Der Verzicht auf Dauermagnete bedeutet, dass keine Seltenen Erden wie etwa Neodym benötigt werden. Damit entfallen sowohl die Abhängigkeit vom derzeitigen Hauptabbauland China wie auch die Furcht vor stark steigenden Preisen für Seltene Erden.

Charakteristisch für Asynchronmotoren ist, dass bei hohen Drehzahlen das Drehmoment stärker abnimmt als bei Synchronmaschinen. Bei künftigen Asynchronmaschinen gilt es vor allem, die Leistungsdichte weiter zu steigern. So arbeitet man zum Beispiel daran, neue Bleche mit verbesserten magnetischen und mechanischen Eigenschaften zu verwenden, und die Kühlung zu optimieren. Die Maximalleistung eines Elektromotors ist – anders als beim Verbrennungsmotor – nämlich deutlich höher als die Durchschnittsleistung.

Ein 50-Kilowatt-Motor kann durchaus für kurze Zeit auch 120 Kilowatt leisten. Wie lange dieser „elektrische Turbo“ zugschaltet werden kann, hängt vor allem von der Kühlung ab. Heutige Maschinen werden mit einem Wasser-Kühlmantel umgeben. Besser wäre es, die Wärme zusätzlich direkt aus dem Motorinneren abzuführen. Wasserleitungen durch eine rotierende elektrische Maschine zu führen, klingt abenteuerlicher, als es ist. „Erste Motoren auf dem Prüfstand haben gezeigt, dass dies für den Fahrzeugeinsatz möglich ist“, bestätigt Michels. Besonders die Asynchronmaschine profitiert davon, da durch den stromdurchflossenen Läufer mehr Verlustwärme entsteht.

Weniger seltene Erden. Die Turbos unter den Elektromaschinen sind aber zweifellos die permanent erregten Synchronmotoren. Sie sind effizienter, Wirkungsgrade von 97 Prozent sind greifbar nah. Bei Synchronmotoren folgt der Rotor stets ganz genau dem durch den Stator erzeugten Magnetfeld, es tritt also kein Schlupf auf. Zudem sind die elektrischen Verluste geringer. Ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt ist es, den Einsatz Seltener Erden so weit wie möglich zu reduzieren. Ein Weg dazu könnte ein Hybridmotor sein, der bei Teillast wie ein Permanentmagnetmotor arbeitet, höhere Leistungsanforderungen jedoch mit einer Fremderregung des Magnetfeldes abdeckt.

Der Schwerpunkt des Teams von „Inside e-Car“ liegt momentan jedoch nicht nur auf der Entwicklung neuer Motorenkonzepte, sondern eines optimierten Gesamtsystems. Es gilt, Kundenprojekte zu bearbeiten und dafür die aus Industrie-Anwendungen bewährte Antriebstechnik an die Fahrzeuganforderungen anzupassen. Besonders gilt dies für den Inverter, der den Gleichstrom aus der Batterie in den für die Elektromotoren benötigten Wechselstrom konvertiert – oder beim Bremsen umgekehrt den von der Elektromaschine im Generatorbetrieb erzeugten Strom speicherfähig macht. Michels: „Hier unterscheiden sich die Anforderungen zwischen einer Werkzeugmaschine und einem Auto noch deutlicher als beim Motor selbst.“

Denn im Elektroauto mit seinen schweren Akkus kommt es auf jedes Kilo Gewicht und jeden Liter Volumen an. Zudem ist die Betriebsdauer mit etwa 8.000 Stunden viel geringer, dafür muss er sibirischer Kälte genauso trotzen wie Wüstentemperaturen. Während Inverter für Industrie-Anwendungen oft luftgekühlt sind, können die nötigen Leistungsdichten im Autoeinsatz nur durch Wasserkühlung erreicht werden. „Trotzdem bieten die Industrie-Inverter eine gute Basis, auf der wir aufsetzen können – vor allem hinsichtlich Regelgenauigkeit und Präzision. Hier können wir auf ein breites Wissen in Sachen Motorregelung zurückgreifen, das bei Siemens über langjährige Erfahrung bei der Steuerung von mehrachsigen Werkzeugmaschinen gewachsen ist“, so Michels.

Während die Entwickler von „Inside e-Car“ Serienantriebe für alltagstaugliche Elektroautos vorbereiten, lotet Dr. Tilo Moser von Corporate Technology (CT) in München die Grenzen des Möglichen aus. Im Wortsinne, denn die Grenzen des von ihm mitentwickelten Antriebs für den „Furtive eGT“ werden auf der Rennstrecke erst sichtbar. Der Elektro-Sportwagen des französischen Herstellers Exagon bringt es auf eine Leistung von 300 Kilowatt und ein Drehmoment von mehr als 500 Newtonmetern – Werte, die denen eines großen Achtzylinder-Benzinmotors vergleichbar sind, aber von zwei Elektromotoren auf der Hinterachse erzeugt werden. Dieses Kraftpaket regelt bei 250 km/h ab, nicht weil es nicht noch flotter ginge, sondern um die Batterie zu schonen.

Siemens-Forscher Moser hatte mit seinen CT-Kollegen zunächst einen Prototypen mit dem kompletten Elektroantrieb ausgerüstet. Der überzeugte die Firma Exagon aufgrund seiner hohen Leistungsdichte von 2,6 Kilowatt je Kilogramm so sehr, dass Siemens nun auch die Komponenten für das Serienfahrzeug entwickelt, das Ende 2013 auf den Markt kommen soll. Dabei arbeiten die Geschäftseinheit Inside e-Car und CT eng zusammen: Die technische Projektleitung liegt bei Moser, das Gesamtprojekt wird von Dr. Franz Wagner geleitet. „Der Vorteil für uns ist, dass wir mit diesem Projekt die Chance haben, an die Grenzen der heutigen Technik zu gehen und gleichzeitig serienreife Qualität sicherzustellen“, erklärt Wagner. Das gilt nicht nur für die Leistungsdichte des Permanentmagnetmotors, sondern auch für den Wirkungsgrad, der bei etwa 96 Prozent liegen soll. Erreicht wird dieser Rekordwert, indem die Siemens-Entwickler mehrere Maßnahmen kombinierten: Sie verwendeten ein spezielles Magnetmaterial und passten die Form und Anordnung so an, dass nur minimale Verluste entstehen.

Für künftige Projekte verfolgt Inside e-Car weitere neue Ideen. So wird derzeit auch bereits an kabellosen Lösungen zum induktiven Laden der Batterie gearbeitet, so wie man es von der elektrischen Zahnbürste bereits kennt. Die Basis hierfür wurde in der CT entwickelt und nach der Konzeptreife an die Geschäftseinheit übergeben. Ferner werden Leistungselektronik und Motor zusammenwachsen, und kompakte Motor-Getriebe-Einheiten werden den Antrieb übernehmen. „Es gibt viele Pfade, die wir gleichzeitig verfolgen“, sagt Michels. Was immer den Elektroantrieb effizienter, leichter und komfortabler macht, kann den Markterfolg von Elektroautos beschleunigen. Nach den Prognosen der Internationalen Energieagentur sollen 2030 mehr als 120 Millionen Autos produziert werden, jedes zweite von ihnen wäre dann elektrifiziert. Das wiederum entspricht einem Weltmarkt von mindestens 60 Millionen Elektromotoren – wobei viele Fahrzeuge aber sogar mehrere Antriebsmotoren besitzen werden.