Elektromobilität

Elektromotor: Hersteller, Aufbau und Funktionsweise

von Thomas Pitscheneder

Elektromotoren sind die Basis für E-Autos. Doch wie sieht ihr Aufbau aus, wie funktionieren sie und wer stellt sie her? Die Antworten gibt es hier.

Aufladevorgang beim Elektroauto. Anstecken und schon fließt der Strom.
Anstecken, aufladen und losfahren: Die Handhabung von Elektroautos ist unkompliziert. Sind es die Motoren auch? Foto: Shutterstock / Dmytro Zinkevych

Das erfahren Sie gleich:

  • Wie ein einfacher Elektromotor aufgebaut ist
  • Welche Hersteller die Motoren produzieren
  • Wie ein E-Motor aus elektrischer Energie mechanische Leistung generiert

Die Funktionsweise eines Otto- und Dieselmotors ist heute hinlänglich bekannt, der Elektromotor scheint aber noch immer ein Mysterium zu sein – dabei ist der prinzipielle Aufbau nicht kompliziert. Der Motor unterscheidet sich nur im Detail von dem, was schon zu Schulzeiten im Physikunterricht im Lehrplan steht. Wie ein solcher Antrieb funktioniert, lässt sich sogar ganz einfach anschaulich darstellen.

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Die unkomplizierte Technik bietet viele Vorteile. Das macht die Elektromobilität besonders interessant. Das gilt für Werkstätten, Nutzer und Bastler gleichermaßen.

Elektromotoren: Zurück in die Zukunft

Elektromotoren haben das Potenzial zum Antrieb der Zukunft. Kein Wunder, denn fossile Brennstoffe sind endlich. Das zur Herstellung von Benzin und Diesel benötigte Erdöl regeneriert sich nicht.

Einfacher ist das bei Strom, denn der lässt sich auch aus Wind, Wasserkraft, Biomasse und Sonnenenergie gewinnen. Der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung nahm laut Umwelt-Bundesamt von 2012 bis 2017 sogar um mehr als 13 Prozent zu – Tendenz steigend.

Ein Auto mit Elektromotor kann also durchaus umweltfreundlich sein, zumindest bei der richtigen Wahl des Stromanbieters. Ladesäulen werden ohnehin bereits zu großen Teilen aus erneuerbaren Quellen mit Strom betrieben. Das spricht für Autos mit solchen Motoren. Doch viele Menschen wissen mit den Elektroautos und E-Motoren noch wenig anzufangen.

Bereits 1821 konstruierte Michal Faraday eine Vorrichtung, bei der sich ein beweglicher Leiter im Magnetfeld um einen festen Leiter drehte. Ein Jahr später zeigte der Physiker Peter Barlow das nach ihm benannte Rad, das auf einem ähnlichen Prinzip basierte und als Vorreiter erster Elektromotoren gilt. Im Jahr 1888 startete die Maschinenfabrik A. Flocken aus Coburg als erster deutsche Hersteller mit einem vierrädrigen Fahrzeug mit Elektromotor.

Weniger ist mehr: Einfacher Aufbau eines Elektromotors

Im Prinzip stecken im Elektromotor nur wenige Einzelteile. Das ist gleichzeitig einer der großen Vorteile solcher Antriebe. So sind sie wartungsärmer und weitaus kompakter als ein normaler Verbrennungsmotor. Drei Teile sind besonders wichtig.

  • Der Stator bildet den äußeren Part des Elektromotors und ist direkt mit dem Gehäuse verbunden. Wie seine Name bereits vermuten lässt, ist er ein unbewegliches Teil. Der Dauermagnet besitzt zwei gegensätzliche Pole.
  • Der Rotor ist das Gegenstück zum Stator und sitzt innerhalb seines hohlen Kerns. Er besteht aus einem Eisenkern und zwei Spulen aus Kupferdraht als stromdurchflossene Leiter. Er ist an einer drehbaren Achse befestigt.
  • Die Stromquelle macht aus dem Rotor einen Magneten, indem sie ihn mit Spannung versorgt. Ohne diese wäre der Kern nicht in der Lage, richtig zu arbeiten – mangels Polung der Spulen. Erst durch den Strom entsteht ein Magnetfeld.
  • Der Kommutator ist meist eine Scheibe aus Metall mit zwei Bereichen. Diese wechseln immer wieder die Richtung des Stroms, was zu einer Änderung der Polung des Rotors führt.

Funktionsweise: Von elektrischer zu mechanischer Energie

Ein Elektromotor macht sich Magnetfelder zu Nutze, um eine Bewegung zu erzeugen. Das Prinzip kommt bereits früh im Schulunterricht vor: Zwei gleichnamige Pole stoßen sich ab, während sich zwei unterschiedliche Pole anziehen. Auf dieser Basis lässt sich mit einfachen Mitteln eine Drehung erzeugen – so auch im E-Motor.

Innerhalb des feststehenden Stators sitzt in einem einfachen Elektromotor der Rotor. Bei unterbrochener Energieversorgung steht der still. Über Metallbürsten mit Spannung versorgt fungiert das bewegliche Teil dank der Spule aus Kupfer selbst als Magnet. Der Kommutator sorgt dafür, das dieser stets gegensätzlich zum Stator gepolt ist und sich somit dreht. Diese Funktionsweise nennt sich Gleichstrommotor.

Im Auto sind die Antriebe meist noch etwas ausgeklügelter. Zum Einsatz kommen dort sogenannte Synchronmotoren. Sie sollen mangels Bürsten im Magnetfeld weniger Reibung zwischen den Polen erzeugen und so einen geringeren Verschleiß verursachen.

Ein weiterer Vorteil: Der Wirkungsgrad erhöht sich. Mangels Getriebe sind hohe Drehzahlen möglich, das volle Drehmoment ist sofort verfügbar und sorgt für viel Kraft beim Beschleunigen. Wie das genau funktioniert, ist von Motor zu Motor und von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich.

Gleiches gilt für Gewicht und Preis. Ein Antrieb im Auto bringt zwischen 50 und 150 Kilogramm auf die Waage. Wer einen Elektromotor nachrüsten möchte, muss Kosten zwischen 5000 und 50.000 Euro kalkulieren.

Diese Hersteller bauen Elektromotoren für Autos

Große Hersteller wie VW, Audi und BWM übernehmen die Fertigung der Motoren selbst – überwiegend sogar in deutschen Werken. Ebenfalls in Eigenregie bauen etwa Tesla und Toyota die mit Strom betriebenen Maschinen.

Bosch sorgt hingegen in Zusammenarbeit mit Daimler für eine Elektrifizierung des Fuhrparks. Die Konzerntochter Smart holt sich ihre Elektromotoren aus Frankreich – von Renault. Das Unternehmen Siemens beliefert bevorzugt Kunden in China mit Elektromotoren.

Elektromotor im Eigenbau: So funktioniert es

Das Prinzip eines Elektromotors lässt sich mit wenigen Mitteln und Handgriffen in einem Experiment veranschaulichen. Alles was es für den Aufbau braucht, sind ein bis zwei Meter Kupferdraht, ein kleiner Magnet, eine Flachbatterie, zwei Schnellverbinder, zwei Büroklammern und ein Untergrund zur Befestigung.

Den Anfang macht das Fixieren des Magnets auf dem Untergrund. Anschließend die Klammern aufbiegen und in den Untergrund stecken, sodass sie eine Halterung bilden. Den Kupferdraht zu einer Spule rollen oder biegen und diese in die Halterung setzen. Im letzten Schritt die Batterie per Schnellverbinder an die Klammern anlegen. Fließt der Strom, sollte sich die Spule wegen des entstandenen Magnetfelds anfangen zu drehen.

Updates

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Natürlich ist das eine besonders stark vereinfachte Variante eines Elektromotors. Ein moderner Motor im Auto ist wesentlich komplexer. So lässt sich beim selbstgebauten Exemplar etwa mangels Kommutator nicht die Stromrichtung verändern, und auch die Geschwindigkeit der Drehbewegung ist nicht regelbar.

Um selbst eine Ahnung von der Funktionsweise zu bekommen oder den Kindern zu erklären wie ein solches Fahrzeug durch Magnetfelder funktioniert, reicht es allemal.

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