Optimale Autos mit vermeintlich optimalen Motoren

 

 

Während sich also unter heutigen Gegebenheiten Elektroautos überhaupt nicht und Hybridfahrzeuge nur dann vermarkten lassen, wenn man entweder die Verbraucher »von oben herab« dazu verdonnert, oder indem man durch den Stempel »Hybrid« eine Luxuskarosse salonfähig macht, werden die unverkäuflichen Autos in Gedanken auch noch kostspielig optimiert. Als das ideale Konzept werden getriebelose Radnaben-Synchronmotoren mit Permanentmagnet-Läufern propagiert – aber in den Demo-Autos nicht eingebaut. Warum nicht?

Leichter oder getriebelos?

Ja, warum sollte man denn? Auch diese Kuh kann man nicht gleichzeitig melken und schlachten. Wiederholt liest man in der Fachpresse, die Vorteile des Permanentmagnet-Motors lägen im größeren Drehmoment, weswegen im E-Auto nicht nur das Schaltgetriebe, sondern das Getriebe insgesamt entfallen könne, sowie im besseren Wirkungsgrad und im geringeren Bauvolumen und Gewicht. Wenn also ein Synchronmotor bei gleicher Baugröße ein größeres Drehmoment und dann auch noch bei gleichem Drehmoment eine kleinere Baugröße hat, dann könnte man ebenso gut sagen: Erstens hat er ein geringeres Gewicht, und zweitens wiegt er weniger.

Der Verzicht auf ein Getriebe dank hohen Drehmoments bedeutet zudem, dass der Motor sehr langsam läuft, viel langsamer als er bauartbedingt laufen könnte, und daher nur einen Bruchteil der Leistung abgibt, die physikalisch erwartet werden dürfte. Der Motor wird also bei weitem nicht »ausgenutzt« und wird daher eher größer und schwerer als ein schnell laufender Asynchronmotor mit Getriebe. Beide Vorteile, kleiner und dennoch getriebelos, gibt es nicht im Doppelpack. Schon der Fahrrad-Dynamo macht es vor: Der fortschrittliche, leider aber langsam laufende Nabendynamo wiegt drei Mal so viel wie der leidige alte, aber immerhin kleine Seitenläufer-Dynamo. Bei den Windkraft-Anlagen geht es dann weiter: Fast die zehnfache Masse bringt der getriebelose Generator in die Gondel ein – Permanentmagneten hin oder her – und obwohl das Getriebe der klassische Schwachpunkt ist, setzen es fast alle Hersteller lieber ein als die dicke Maschine, die vor allem durch ihren großen Durchmesser schon von weitem auffällt.

Und »besonders gute Wirkungsgrade« erreicht der Permanentmagnet-Motor »vor allem bei Teillast« – doch was ist Teillast? Bei Elektrofahrzeugen wird für eine relativ kurze Zeit ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und dann über einen längeren Betriebszeitraum ein geringes Moment bei hoher Drehzahl gefordert. Bei hoher Drehzahl trotz Teillast wird der Permanentmagnet-Motor aber übererregt, was zu unnötig hohen Wirbelstrom-Verlusten führt. Also auf welchen Betriebspunkt bezieht sich nun der »bessere Wirkungsgrad bei Teillast«?

Erst ein »höhenverstellbarer Sattel« …

Um dem Radnabenmotor zu neuem Schwung zu verhelfen, hat ein Fraunhofer Institut die Luftkühlung neu erfunden, mit der die Elektromotoren eines E-Autos hier höchst überraschenderweise ausgerüstet werden sollen. Das erinnert doch sehr an das einfache, simple Billig-Fahrrad, das vor Jahrzehnten in einem Versandhaus-Katalog mangels weiterer Kennzeichen mit dem Ausstattungsmerkmal – zu Deutsch »Feature« – angepriesen wurde, es verfüge über einen »höhenverstellbaren Sattel«.

Doch damit nicht genug – auch der zugehörige Umrichter ist »luftgekühlt«. Eigentlich sollten Umrichter dieser Leistungsklasse überhaupt keine aktive Kühlung erfordern; ein Kühlkörper auf der Oberseite reicht für gewöhnlich aus, wenn überhaupt – oder das Gerät hat einen schlechten Wirkungsgrad, was Sinn der Sache nicht sein kann.

… und dann eine reinrassige 360°-Wende

Umgesetzt wird die Luftkühlung dann durch einen Nabenkörper, in den die Lüfterflügel eingearbeitet sind. Das erinnert doch sehr an manche Autofahrten aus den 50er-Jahren, als man vor Steigungsstrecken bisweilen anhalten musste, um eine Jalousie vor dem Kühler zu öffnen. Ehe es wieder bergab ging, musste diese Jalousie wieder verschlossen werden – sonst wurde der Motor zu kalt. Beim Blick unter die Haube damaliger Autos zeigte sich denn auch, dass der Lüfter für den Kühler über einen Keilriemen von der Kurbelwelle angetrieben wurde und also zwangsläufig immer lief, ob es nun nützte oder sogar schadete. Gegebenenfalls musste man den erzeugten Luftstrom durch eine Jalousie drosseln. Wenig später setzten sich Lüfter mit elektrischem Antrieb durch, die nur bei Bedarf laufen und ansonsten den Fahrtwind kühlen lassen, solange vorhanden – was meistens der Fall ist, aber eben nicht immer.

Und nun ist er wieder da, der Lüfter, der zwangsweise immer mitläuft – noch dazu immer proportional zur gefahrenen Geschwindigkeit. Zwar kann man einen Elektromotor ebenso wenig wie einen Umrichter zu stark kühlen, aber mehr als nötig schon. Schließlich verbraucht der Lüfter auch Energie – die doch gerade im Elektroauto gar so knapp vorhanden ist! Und ausgerechnet bergauf wird weniger gekühlt; also muss das Bauteil mit reichlicher Reserve ausgelegt werden und bremst dann bei Höchstgeschwindigkeit – wegen der quadratischen Kennlinie – ganz gewaltig. Für Flugzeuge hatte ein junger Tüftler diese Technik – ebenfalls vor Jahrzehnten – schon einmal vorgeschlagen, um hier umgekehrt die Räder schon vor dem Aufsetzen durch den Fahrtwind (oder »Flugwind«?) auf Touren zu bringen und so die Reifen zu schonen, doch auch hier setzte sich die Methode nicht durch: Den zusätzlichen Raum vorzusehen und das zusätzliche Gewicht auf dem ganzen Flug mitzuschleppen ist letztlich doch teurer als häufiger Reifenwechsel dank »Bremsspuren« auf der Landebahn. Es gilt eben stets, sämtliche Randbedingungen zu berücksichtigen.

Der »Witz der Großmaschine« oder das Wachstumsgesetz

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Bild 7: Die Leistungsdichte nimmt bei elektrischen Maschinen mit der Baugröße zu, bei Verbrennungsmaschinen ab – doch dem Auto ist das egal: Hier liegt gerade der Schnittpunkt

Die Verteilung des Antriebs auf 2 oder 4 Motoren, so reizvoll das Konzept sich auch liest, führt leider wieder zu einer Erhöhung des Gesamtgewichts. Dies liegt an einem auch als »Witz der Großmaschine« bezeichneten Naturgesetz, dem zu Folge die Leistungsdichte elektrischer Maschinen mit der Bauleistung zunimmt, der spezifische Material-Aufwand pro Bauleistung also abnimmt. Am Beispiel eines Transformators lässt sich dies halbwegs veranschaulichen: Verdoppelt man dessen Abmessungen – Länge, Breite und Höhe – so steigt das Volumen und mit ihm die Masse auf das Achtfache. Der Kernquerschnitt vervierfacht sich (doppelter Durchmesser zum Quadrat). Dadurch kann bei gleicher Induktion die Windungszahl geviertelt werden, also ist Platz für den vierfachen Drahtquerschnitt. Da sich gleichzeitig der Querschnitt des Wickelfensters vervierfacht (doppelte Höhe mal doppelte Breite), lässt sich der Drahtquerschnitt noch einmal vervierfachen. So kann aus der achtfachen »Transformatormasse« 16 Mal so viel Leistung gezogen werden, oder umgekehrt steigen Masse und Volumen nur mit einem Exponenten von 0,75 zur geforderten Leistung.

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Bild 8: Im Bereich ab einige 100 kW fängt der Generator eines BHKW an, hinter dem ihn antreibenden Verbrennungsmotor zu verschwinden

Bei Motoren beträgt der Exponent ungefähr 0,8. Eine Großmaschine von 100&npsp;MW durch 100.000 Motoren zu je 1 kW zu ersetzen würde also die Gesamtmasse verzehnfachen. Dies ist, ganz nebenbei bemerkt, auch der Umstand, der die dezentrale Strom-Erzeugung aus regenerativen Energien und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) teurer macht, obwohl »Soda-Energie« im Prinzip nichts kostet und KWK den Brennstoff doppelt ausnutzt.

Beim Verbrennungsmotor ist es übrigens gerade umgekehrt. Durch eine ähnlich einfache Überlegung kommt man darauf: Die bei einem Arbeitshub erzeugte mechanische Energie muss zwangsläufig grob proportional zum Hubraum sein. Dieser ist näherungsweise proportional zum Bauvolumen der gesamten Maschine, also auch zu ihrer Masse (denn die »Dichte« großer und kleiner Motoren ist im Prinzip gleich). Große Motoren laufen aber langsamer und erzielen also eine geringere Literleistung (Bild 2). Ein Schiffsdiesel mit 2 m³ Hubraum hat rund ein Vierzigstel der Drehzahl eines PKW-Diesels mit 2 l Hubraum. Ein Exponent von 1,2 statt 0,8 kommt hier zum Tragen, will man von der Leistung auf den Material-Einsatz in der Maschine schließen – abgesehen von ein paar »Unstetigkeitsstellen« beim Übergang von 2-Takt- auf 4-Takt- und von Otto- auf Dieselmotoren. Während eine Motorsäge von professioneller Leistung kaum handgeführt werden könnte, wenn sie elektrisch angetrieben würde, selbst wenn der im Wald notwendige Akkumulator nicht eingebaut wäre, sondern beispielsweise daneben stünde, nehmen sich die Generatoren von Blockheizkraftwerken (BHKW) hinter dem sie antreibenden Motor beim Übergang vom Kilowatt- in den Megawatt-Bereich zunehmend unscheinbar aus (Bild 3). Gerade im Bereich des Automobils liegen die Leistungsdichten etwa gleichauf – wenn man eben nicht beim E-Mobil den getriebelosen Einzelrad-Antrieb in Betracht zieht, denn der treibt Volumen und Gewicht gleich zweifach nach oben.

Folgekosten des Permanentmagnet-Motors

Von den Kosten gar nicht erst zu reden, denn zu allem Überfluss kämen zwei bzw. vier Asynchronmotoren hier mit einem gemeinsamen Umrichter aus. Von den hoch gelobten Synchronmotoren jedoch bräuchte jeder seinen eigenen Umrichter, sonst führe sich das Auto wie ein einmotoriges ohne Differentialgetriebe – das der Einzelrad-Antrieb doch eigentlich erübrigen sollte. Also wenn schon Elektroauto, dann liegt die vernünftigste Wahl in einem oder vielleicht zwei Asynchronmotoren, zweckmäßigerweise mit aus Kupfer statt aus Aluminium gegossenem Läuferkäfig. Kupfer ist schwer, leitet aber besser und ermöglicht so dennoch eine kleinere, ja sogar leichtere Bauform bei mindestens gleicher Effizienz. Das Paradepferd des elektrischen Straßenverkehrs, der Tesla Roadster, hat nur einen Motor und ein Differenzialgetriebe, wie gewohnt. Warum wohl?