Höhere Leistung und Effizienz: Löst der Axialflussmotor bald den klassischen Radialflussmotor ab? Dazu müsste die Axialflussmaschine vor allem günstiger werden. Forscher arbeiten daran.
Axialflusselektromotor von Yasa. Der Mercedes-Benz-Standort Berlin-Marienfelde erweitert sein elektrisches Produktportfolio künftig um die Montage dieser Elektromotoren.
Mercedes-Benz
Die meisten Elektrofahrzeuge greifen auf Radialflussmaschinen zurück, die seit Längerem intensiv entwickelt und optimiert werden. Diese Konstruktion der Elektromaschine hat sich in den vergangenen Jahren in der Automobilindustrie durchgesetzt. Allerdings zeigt die Geschichte der Elektromaschinen, dass es schon früh auch ein anderes Prinzip gab: den Axialflussmotor. Diese Gestaltung des Elektromotors rückt gerade wieder in den Fokus der Entwickler.
Alles begann Anfang des 19. Jahrhunderts: Moritz Hermann Jacobi gelang es im Mai 1834, den ersten rotierenden Elektromotor zu bauen, erklärt Springer-Autor Martin Doppelbauer in der Einführung (Seite 4) zum Buch Grundlagen der Elektromobilität. Dieser erste Elektromotor stellte einen Leistungsrekord auf, der für vier Jahre Bestand hatte und erst im September 1838 wiederum durch Jacobi gebrochen wurde. Technologisch handelte es sich um einen Axialflussmotor.
Axial statt radial
Jede elektrische Maschine besteht grundsätzlich aus einem ortsfesten Stator und einem sich bewegenden Rotor. "Dieser rotiert bei Radialflussmotoren innerhalb des Stators (Innenläufer) oder außerhalb um den Stator (Außenläufer) herum", erläutern die Springer-Autoren um Henning Baumgarten im Kapitel Antriebe (Seite 679) aus dem Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. Bei Axialflussmotoren seien hingegen ein oder mehrere Rotoren mit einem oder mehreren Statoren axial gestapelt, das heißt das magnetische Feld zwischen den Komponenten zeigt hier in axiale Richtung.
Weshalb der Axialflussmotor in der vergangenen Zeit wieder mehr in den Fokus gerückt ist, liegt daran, dass sich mit ihm "hohe Drehmoment- und Leistungsdichten realisieren" lassen, wie Alexander Kleimaier von der Hochschule Landshut im Artikel Modulare Axialflussmaschine für hohes Drehmoment (Seite 366f) aus der Zeitschrift e & i Elektrotechnik und Informationstechnik 3-4-2023 schreibt. Im Artikel vergleicht Kleimaier eine Radialflussmaschine mit einer Axialflussmaschine sehr ähnlicher Abmessungen rechnerisch und mit ausführlichen Maschinendaten. Bei dieser Analyse zeigt sich, dass die Axialflussmaschine bei gegebenem Bauraum in Bezug auf das Drehmoment im Nachteil ist, jedoch in Bezug auf Magnetmaterialausnutzung, Drehzahlbereich und Trägheitsmoment erheblich besser abschneidet.
Hohe Herstellungskosten
Warum verfolgte man die Axialfluss-Topologie aber nicht konsequent weiter, wenn sie doch einige Vorteile wie eine erhöhte Leistungsdichte bietet? Der Grund sind vor allem die hohen Kosten. Derzeit auf dem Markt befindliche Axialfluss-Synchronmaschinen (AFSM) seien zwar sehr effizient, würden jedoch aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten nur einen Nischenmarkt abdecken, heißt es in einer Mitteilung des Forscherteams des Projekts Maxima ("Modular Axial Flux Motor for Automotive").
Bislang sind Axialflussmotoren aufgrund ihrer Kosten daher in teuren Sportwagen zu finden. Zum Beispiel setzt Ferrari bei den Hybrid-Modellen SF90 und 296 GTB auf Axialflussmotoren des britischen E-Motor-Spezialisten Yasa. Mercedes-Benz hatte Yasa 2021 übernommen, um sich die Expertise des Unternehmens in der Entwicklung von Ultra-High-Performance-Axialmotoren zu sichern. "Das ist enorm wichtig, denn eigene Elektromotoren sind ein wichtiger Bestandteil unserer Strategie", sagte Mercedes-Benz-Vorstand Markus Schäfer 2021 im Interview "Eigene Elektromotoren sind wichtiger Bestandteil unserer Strategie" (Seite 8) aus dem ATZextra Elektromobilität auf Erfolgskurs. Die Stuttgarter wollen künftig Axialflussmotoren nach Yasa-Konstruktion in die kommenden E-Hochleistungssportwagen im Werk Berlin-Marienfelde montieren. Die Studie Mercedes-Benz Vision One-Eleven wird bereits von zwei Axialfluss-Elektromotoren von Yasa angetrieben. Ein Axialflussmotor kommt auch im Showcar Mercedes-AMG Vision AMG zum Einsatz.
Doch auch abseits des Performance-Segments soll der Axialflussmotor präsenter werden. Das Ziel des Forschungsprojekts Maxima ist es daher, eine erschwingliche AFSM für die Automobilindustrie zu entwickeln, die eine verbesserte Leistung bietet und weniger kritische Seltenerdmetalle verwendet. Das Projekt wird von der EU gefördert, ihm gehören elf Forschungsteams und Unternehmen aus sechs europäischen Ländern an. Bis 2027 sollen günstigere AFSM untersucht werden.
Modularer Aufbau
Eine eingehende Analyse der Technologie habe "großes Potenzial zur Steigerung der Leistung von Elektroantrieben" ergeben, so die Maxima-Forschenden. Mit den kompakten Abmessungen und der hohen Effizienz sollen sie für mobile Einsätze wie im Elektroauto geeignet sein.
Um diese Ziele zu erreichen und die Kosten zu senken, setzt das Projekt vor allem auf einen modularen Ansatz. Die Axialflussmotoren sollen durch das Stapeln identischer Rotoren und Statoren an die unterschiedlichen Leistungsanforderungen angepasst werden können. Dieser Ansatz senke die Kosten, indem er die Anzahl der herzustellenden Teile begrenze und gleichzeitig das Produktionsvolumen erhöhe. Diese Skalierung führe zu geringeren Herstellungskosten und erleichtere Wartung und Recycling.
Ein digitaler Zwilling soll die Entwicklung der AFSM unterstützen. Jedoch geben die Projektpartner auch zu bedenken, dass "technologische und wissenschaftliche Herausforderungen im elektromagnetischen, mechanischen und thermischen Bereich" bewältigt werden müssen, um die Marktintegration dieser Technologie zu fördern.