Warum ein EESM bei Autobahntempo sparsamer ist als ein PSM

Es ist immer wieder eine Freude, Paul Turnbull von der US-amerikanischen Ingenieursfirma Munro zuzuhören, wenn er die technischen Feinheiten eines Elektroautos erklärt. Nun hat er sich dem elektrisch erregten Synchronmotor (EESM) des Nissan Ariya mit 178 kW zugewandt. Wir haben unter anderem gelernt, warum ein EESM bei hohem Tempo effizienter arbeitet als die häufiger eingesetzten Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSMs).

Elektromotoren bestehen aus einem Stator und einem Rotor. Bei E-Autos ist der Stator ein Hohlzylinder, in dem Drahtwindungen für ein statisches (das heißt, sich nicht drehendes) Magnetfeld sorgen. Der Rotor ist ein massiver Zylinder, der sich in dem Stator dreht. In der Art, wie das Magnetfeld des Rotors erzeugt wird, unterscheiden sich die drei Haupttypen von Elektromotoren.

Beim Permanentmagnet-Motor (PSM) wird es von Permanentmagneten erzeugt, beim Asynchronmotor (ASM) entsteht das Feld durch Induktion und beim elektrisch erregten Synchronmotor durch Drahtwindungen. Die letztgenannte Sorte wird vor allem von BMW, Renault und Nissan genutzt. Auch der Nissan Ariya hat solche EESMs – bei den Allradlern an beiden Achsen. Im aktuellen Video geht es um den 178-kW-Motor im Ariya, also wohl um den Frontmotor der 178-kW-Version.

Nissan verwendet ein achtpoliges Design für den Rotor, das heißt, es gibt acht Kupferwindungen, die die acht Pole der Magnetfelds bilden. Die Stromzuleitung für die Windungen kann nicht aus einem einfachen Kabel bestehen, da sich der Rotor dreht. Deshalb wird der Strom über bürstenartige Schleifkontakte auf die Rotorwelle übertragen. Die Stromleitungen sind so dünn, dass man ihnen ansieht, dass nicht Hunderte von Ampere in den Rotor hineinfließen, sondern eher ein paar Dutzend, erklärt Paul. Dagegen sind die Stromzuleitungen am Stator massiv ausgeführt. Das heißt, der meiste Strom wird für das Magnetfeld im Stator gebraucht.

Dennoch geht es beim EESM nicht ohne Strom im Rotor, während ein Permanentmagnet-Motor diesen nicht benötigt. Aus diesem Grund könnte der Strombedarf eines EESM größer sein als der eines PSM. Doch der PSM verliert an einer anderen Stelle Strom: Hier wird bei hohem Tempo durch die Magnete ein Gegenfeld in den Statorwindungen erzeugt, der das Statorfeld abschwächt. Dem muss mit zusätzlichem Strom entgegengewirkt werden. Bei niedrigem Tempo arbeitet deshalb der PSM effizienter, bei hohem Tempo (auf der Autobahn) der EESM, so Paul.

Entscheidend sei aber der Autobahnverbrauch, meint der Ingenieur. Denn wenn der Verbrauch in der Stadt hoch ist, muss man eben öfter (zu Hause) laden. Auf der Autobahn störe hoher Verbrauch viel mehr, so Paul. Da hat er wohl recht, denn Kurzstrecken sind mit Elektroautos kein Problem, Langstrecken aber können bei hohem Verbrauch und geringer Reichweite nervig werden. Der EESM ist also gewissermaßen autobahntauglicher als der PSM. Ein weiterer Vorteil ist, dass man keine Magnete braucht, und das ist in Zeiten von Zöllen und Sanktionen wichtig. Denn insbesondere Magnete aus Neodym und anderen Seltenen Erden kommen meist aus China.

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Unter dem Strich

Wer sich für Elektroautos interessiert, aber keine Ingenieurswissenschaft studiert hat, ist auf dem Youtube-Kanal von Munro Associates richtig. Kaum eine andere Quelle erklärt die Technik so tiefgehend, aber auch verständlich. Das hier verhackstückte Video über den Elektromotor des Nissan Ariya ist ein Beispiel.

Die Erklärungen von Paul Turnbull sind ist auch dann interessant, wenn man sich weniger für den schon etwas älteren Ariya interessiert – denn ähnliche Technik wird auch in etlichen neuen Autos verwendet, vom Renault 5 Electric über den neuen Nissan Leaf bis hin zur Neuen Klasse von BMW, wo an der Hinterachse fremderregte Synchronmotoren verwendet werden, was nur ein anderer Ausdruck für EESMs ist.