Strom erregt: BMWs fünfte E-Motoren-Generation für Elektroautos

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Mit dem iX3 hat BMW die fünfte Generation bayerischer Elektromotoren eingeführt. Es handelt sich um fremderregte Synchronmotoren (FSM), auch "stromerregte Synchronmotoren" (SSM) genannt. Die Motoren gehören in den Kontext von BMWs Baukasten hochintegrierter E-Achsen, die den Elektromotor, das Getriebe sowie die Leistungselektronik kompakt vereinen.

Das Gehäuse wird in aufwendiger Gusstechnik im Werk Landshut gefertigt. Die hohe Integration vermindert Flanschflächen, integriert die Medienführung von Strom, Daten und Flüssigkeiten und vereinfacht die Montage. Ziele sind minimierte Fehlerpotenziale sowohl in der Fertigung als auch im Betrieb beim Kunden bei gleichzeitiger Kosteneffizienz. Die Leistungsklassen der Antriebe entstehen einerseits aus der Skalierung der Aktivteile (Rotor/Stator) hinsichtlich Durchmesser und Länge und andererseits aus dem Zusammenspiel von Batterieleistung, Umrichter und Software. Basierend auf zwei Statordurchmesser-Varianten (170 und 220 mm) ergeben sich aktuell fünf Leistungsklassen mit einem Spektrum von 140 bis 360 kW.

Warum ein stromerregter Motor?

Das Wichtigste zu Elektromotoren in aller Kürze: Der Umrichter moduliert per Pulsweitenmodulation Spannung und Frequenz von Drehstrom, der durch den Stator fließt. Das dabei entstehende dynamische Magnetfeld dreht den Rotor. Beim "Synchronmotor" drehen sich Magnetfeld und Rotor gleich schnell, also "synchron". Damit der Rotor sich dreht, muss er magnetisch sein. Beim permanenterregten Rotor übernehmen Dauermagneten den Aufbau des Magnetfelds, meistens aus Neodym-Eisen-Bor. Beim stromgeführten Rotor ist es ein Elektromagnet, der folglich mit Strom versorgt werden muss. Im Fall des BMW-Motors passiert das über wartungsfreie Schleifringe.

In der Vorentwicklung beschäftigte sich BMW intensiv damit, auf welche Technik die nächste Motorengeneration setzen sollte. In den Jahren 2010/2011 hatte eine massive Preissteigerung bei Neodym eingesetzt, das zu 95 Prozent aus China kommt. Eine Vorgabe lautete daher, diese Abhängigkeit aufzulösen. Ein anderer Aspekt war die Beliebtheit von Allradantrieben unter der BMW-Kundschaft. Motoren, die stromlos frei mitlaufen (also Asynchronmotoren und SSM), haben hier Vorteile. "Wir haben alles in Betracht gezogen", sagt Uwe Deuke, Projektleiter Baukasten elektrische Antriebsmaschine Generation 5 bei BMW.

Ziel Dynamik und Effizienz

Für den Asynchronmotor sprachen zum Beispiel die günstigen Kosten und die Überlastfähigkeit. Die Leistungscharakteristik und auch die geringere Effizienz sprachen jedoch letztendlich dagegen, denn BMW wollte hohe Dynamik kombiniert mit bestmöglicher Kundenreichweite erreichen. Bald kristallisierte sich eine schlau konstruierte Fremderregung als die beste Lösung heraus. Sie kombinierte Effizienz, hohe Leistungsdichte und gute Kostenstrukturen.

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BMW eDrive 5th Gen (6 Bilder)

Effizienz und ihre Kennfeldsenken

Eigentlich sind die effizientesten Motoren permanenterregte Synchronmotoren (PSM). Uneigentlich gibt es im Realbetrieb durchaus Vorteile für SSM. Die üblichste Bauweise für einen E-Antrieb ist ein hochdrehender E-Motor an einem Einganggetriebe. Diese Motoren müssen in fünfstelligen Drehzahlbereichen noch effizient laufen, weil diese auf der Autobahn vorkommen. Der BMW-Motor etwa dreht bis zu einer Nenndrehzahl von rund 17.000/min. In den oberen Drehzahlbereichen fällt die Effizienz jedoch üblicherweise ab, deshalb sind viele E-Autos auf im Vergleich zu bisher niedrigere Höchstgeschwindigkeiten limitiert oder kommen (selten) mit Zweiganggetrieben.

Um optimale Effizienz und Leistung herauszuholen, steuert der Umrichter den Strom nach einem Kennfeld über Drehzahl und Last, in dem viel Erfahrung steckt, genauso wie in der Steuerungs-Software. Beim SSM gibt es jedoch eine zusätzliche Steuerungsdimension, nämlich den Erregerstrom. Die Regelung des Erregerstroms erlaubt in allen Lastbereichen eine entweder effizienz- oder leistungsoptimale Magnetisierung des Rotors.

Daraus ergeben sich speziell bei Landstraßenfahrt oder Autobahnbetrieb Effizienzvorteile für SSM. Es ist aber auch die Abschaltung der Erregerwicklung möglich. Das hilft bei den erwähnten dynamisch geschalteten Allradantrieben genauso wie beim Abschleppen des Fahrzeugs auf Achse. Zudem erhöht sich die Funktionssicherheit: Permanentmagneten induzieren bei Drehung immer Ströme, sodass Sicherheitssysteme im Umrichter eines PSM-Antriebs dafür sorgen müssen, dass z. B. bei einem plötzlichen Ausfall auf der Autobahn aus hohen Drehzahlen sicher ausgerollt werden kann.