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E-Motoren: Fremderregte Version mit höherer Effizienz

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E-Motoren sind konkurrenzlos effizient, und dennoch gibt es Verbesserungspotenzial. Fremderregte Exemplare könnten dank der neuen Entwicklung von ZF nun viel kompakter werden.

Grundsätzlich gibt es zwei Typen von Elektromotoren. Zum einen der permanent erregte, bei dem das Magnetfeld durch, ja, Magnete entwickelt wird. Eine sehr effektiv arbeitende Variante, die bevorzugt in der Autoindustrie verwendet wird, immer mehr aber in die Kritik gerät, weil zur Produktion dieser Magnete seltene Erden benötigt werden. Im Gegensatz zu fremderregten Motoren, für die das Magnetfeld mittels Strom erst erzeugt wird. Weniger wirkungsvoll und etwas energieintensiver, aber definitiv ökonomischer. Und um diesen Antriebstyp attraktiver zu machen, hat ZF nun den Typ I2SM (In-Rotor Inductive-Excited Synchronous Motor) lanciert.

Verlustreich
Im Grunde arbeitet dieser Motor also nach dem üblichen Prinzip des extra erzeugten Magnetfelds. Nachdem die benötigte Energie über einen induktiven Erreger innerhalb der Rotorwelle entsteht, konnte der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden. „Mit diesem magnetfreien E-Motor ohne Seltene Erden haben wir eine weitere Innovation, mit der wir unser elektrisches Antriebsportfolio konsequent auf nachhaltige, effiziente und ressourcenschonende Mobilität trimmen“, sagt Dr. Holger Klein, Vorstandsvorsitzender von ZF. Und in Zahlen ausgedrückt, bedeutet das: 15 Prozent weniger Verluste bei der Energieübertragung in den Rotor, dazu 50 Prozent weniger CO2 bei der Herstellung im Vergleich zu permanent erregten Kollegen, was zum großen Teil eben auf die erwähnten seltenen Erden zurückzuführen ist. Und auch Schleppverluste gibt es aufgrund der magnetischen Komponenten keine, was in bestimmten Betriebspunkten wie langen Autobahnfahrten mit hoher Drehzahl einen besseren Wirkungsgrad ergibt.

Kontaktscheu
Entscheidend ist dafür vor allem, welche Komponenten eingespart werden konnten. Es gibt keine Schleif- oder Bürstenelemente mehr, somit auch keinen hierfür benötigten trockenen, für die Ölkühlung nicht zugänglichen Bauraum mit zusätzlichen Dichtungen. Allein dadurch konnten axial rund 90 Millimeter eingespart werden, womit ohne viel Aufwand zwischen PSM- und FSM-Varianten variiert werden kann – sie sind praktisch gleich groß, und nicht nur in dieser Disziplin herrscht Gleichstand. Durch die kontaktlose Energieübertragung in den Rotor gibt es auch bei Leistungs- und Drehmomentdichte nur mehr geringfügige Unterschiede. Noch handelt es sich beim I2SM zwar um einen Prototypen, doch an der Serienreife wird bereits gearbeitet. ZF möchte das Konzept auch gleich zu einer kompletten Antriebsplattform ausbauen – für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge und mit 400- oder 800-Volt-Architektur. 

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