Innovation fürs E-Auto: ZF entwickelt magnetlosen Elektromotor

Die wesentlichen Charakteristiken: Im ZF-Motor sind schlicht und einfach keine Dauermagneten verbaut. Damit kann auf Seltene Erden als wichtiger Ausgangsstoff für Dauermagneten verzichtet werden. Das spart erhebliche Kosten und verringert ökologische Folgen durch den CO₂-intensiven Abbau dieser Substanzen. Da sich die Lagerstätten überwiegend in China befinden, bedeutet der Verzicht auf Seltene Erden auch größere wirtschaftliche wie politische Unabhängigkeit.

Der Motor folgt einem Konstruktionsprinzip, das bisher bei Elektroautos selten genutzt wird: Die Magnetkraft, die zum Antrieb notwendig ist, wird durch einen induzierten Strom erst erzeugt. Daher nennt man ihn "fremd erregt", während die bisher vorherrschende Bauweise durch die Dauermagneten "permanent erregt" wird.

Die Bauweise des "fremderregten" Motors, bei dem Strom die magnetische Kraft aktiviert, hat sich bei Elektroautos bisher nicht durchgesetzt. Nur wenige aktuelle Modelle, etwa der Kleinwagen Renault Zoe, sind auf diese Weise motorisiert. Einer der Gründe: Zur Stromübertragung auf die fremd erregten Bereiche im beweglichen Teil des Motors, Rotor genannt, müssen Bürsten oder Schleifer genutzt werden. Und die nehmen Platz weg. "Es ist ein trockener, also für die Ölkühlung nicht zugänglicher Bauraum mit zusätzlichen Dichtungen notwendig", erklärt ZF.

Der Renault Zoe wird von einem fremderregten Elektromotor angetrieben. Das spart Kosten. Nachteil: Effizienz und Leistungsvermögen sind geringer.

Bild: Olaf Itrich / AUTO BILD

Die Friedrichshafener haben das Problem gelöst, indem der Strom für den Stator induktiv, also kontaktlos über ein elektromagnetisches Feld übertragen wird. Weil auf diese Weise Bauraum in der Größenordnung von 90 Millimeter Raumhöhe entfällt, ist der Antrieb besonders kompakt. Fahrzeughersteller können zukünftig also ohne große Anpassungen der Konstruktion vom permanent erregten zum fremderregten Antrieb umschwenken.

Denn ZF hat nach eigener Angabe einen weiteren Schwachpunkt fremderregter Elektromotoren ausgeräumt: Sie konnten es bisher in Effizienz und Leistungsfähigkeit mit denen mit Dauermagneten nicht aufnehmen. ZF will diese Schwäche gelöst haben. So sei es den Ingenieuren gelungen, die bauartbedingten Nachteile gängiger fremderregter Synchronmaschinen auszugleichen. "Insbesondere die Drehmomentdichte konnte durch ein innovatives Rotordesign gegenüber dem Stand der Technik deutlich gesteigert werden."

Wie effizient ist der neue Motor nun? "Der Wirkungsgrad ist nahezu auf Augenhöhe mit den effizientesten permanent erregten E-Motoren auf dem Markt", sagt ein ZF-Sprecher auf Anfrage von AUTO BILD. Die erreichen inzwischen einen Wirkungsgrad von über 95 Prozent. Die Energieeinsparung durch die Induktion innerhalb des Antriebs allein betrage 15 Prozent. Der Motor ist bereits in seinem Grundprinzip nachhaltiger als konventionelle Elektro-Antriebe: Sein CO₂-Fußabdruck in der Herstellung, die bei permanent erregten Elektromotoren insbesondere durch die Seltenen Erden entsteht, unterbietet solche laut ZF um bis zu 50 Prozent. Eine Einschätzung der voraussichtlichen Kosteneinsparung will das Unternehmen nicht treffen.

Der I²SM soll als Option innerhalb der eigenen E-Antriebsplattform angeboten werden. "Er ist ein Prototyp, den wir in Zukunft in unserem modularen E-Antriebsbaukasten anbieten wollen", sagt ein Sprecher von ZF. Als Leistung-Spektrum plant ZF eine Bandbreite von 100 bis 350 kW. Es soll ihn sowohl als 400- wie auch als 800-Volt-Variante geben. ZF-Vorstandsvorsitzender Holger Klein: "Wir sehen derzeit keinen Wettbewerber, der diese Technologie so kompakt beherrscht wie ZF".

Übrigens ähnelt das Konstruktionsprinzip des neuen Antriebs in vielen Details dem "Contactless Transmitter", den der schwäbische Zulieferer Mahle kürzlich vorstellte und der sich bereits bei zahlreichen Autoherstellern in der Erprobung befindet. Ein Unterschied ist laut ZF, dass beim I²SM die Baugruppe zur Erzeugung eines Induktionsstroms direkt im Rotor, also im beweglichen Teil des Antriebs verbaut ist. "Das ist die Innovation an diesem Motor", so ein ZF-Sprecher. Die Entwicklung des I²SM begann vor rund einem Jahr.