Wie werden Axialflussmotoren günstiger?

Höhere Leistung und Effizienz: Löst der Axialflussmotor bald den klassischen Radialflussmotor ab? Dazu müsste die Axialflussmaschine vor allem günstiger werden. Forscher arbeiten daran. (Update)

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. Yasa kooperiert auch mit Lamborghini. Die Briten liefern für die Hybridsportwagen Revuelto und Temerario den Axialflussmotor.

Abseits des Performance-Segments

Doch auch abseits des Performance-Segments soll der Axialflussmotor präsenter werden. So haben der französische Automobilzulieferer Valeo und das chinesische Technologieunternehmen PanGood auf der Auto Shanghai 2025 mit einem neuen Axialfluss-Generator eine gemeinsame Entwicklungsarbeit vorgestellt. Der 2-in-1-Generator integriert Motor und Wechselrichter in eine kompakte und skalierbare Lösung. Seine Architektur soll für alle Arten von Elektrofahrzeugen geeignet sein, insbesondere für Extended Range Electric Vehicles (EREVs), die auf dem chinesischen Automarkt sehr gute Wachstumsaussichten haben. Mit dem neuen Generator wollen die beiden Partner die Verbreitung von EREVs beschleunigen.

Auch das Forschungsprojekt Maxima arbeitet am großflächige Einsatz der Axialflusstechnologie. Es hat zum Ziel, 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.

Modular ist auch der kürzlich vorgestellte Axialflussmotor namens HaloDrive des Herstellers von Hochleistungs-Elektromotoren Orbis Electric. HaloDrive basiert auf einer vierteiligen Architektur und soll Kostenvorteile bringen: bis zu 35 % geringere Kosten für den Antriebsstrang im Vergleich zu Radialflussmotoren. HaloDrive kann neben Pkw unter anderem auch in Nutzfahrzeugen Anwendung finden. Hier nennt das Unternehmen den Einsatz von E-Motoren als Generatoren für elektrische Transportkühlgeräte (eTRU). Auch in der stationären Stromerzeugung sei der Einsatz als Generator denkbar. Weiteres Beispiel: das Berliner Start-up Vaionic. Das 2017 gegründete Unternehmen hat einen eisenfreien Axialflussmotor entwickelt, der aufgrund seiner Modularität für verschiedene Elektrofahrzeugklassen geeignet ist. Die sogenannte ironless PSM (iPSM) soll gegenüber herkömmlichen PSM durch eine signifikante Reduktion der Aktivmaterialmassen sowie weniger komplexe Fertigungsprozesse neue Kosteneinsparpotenziale eröffnen, wie das Unternehmen im MTZ-Artikel Axialflussmaschinen mit eisenlosem Stator für Traktionsantriebe schreibt. 

Effiziente Modifikation und Reparatur

Wie eine Axialflussmaschine effizient geöffnet, zerlegt und repariert werden kann, zeigt das Projekt "Restore", an dem fünf Institute des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und die Universität Stuttgart beteiligt sind. Die Forscher haben eine Remanufacturing-Prozesskette zur Reparatur und Modifikation von hybridisierten Polymerbauteilen am Beispiel einer Axialflussmaschine und ihrer Komponenten entwickelt. Den Motor haben die Forschenden so konstruiert, dass er sich effizient modifizieren und reparieren lässt.

Doch bei allen Fortschritten: Die Maxima-Projektpartner geben hinsichtlich der Axialflussmaschine auch zu bedenken, dass "technologische und wissenschaftliche Herausforderungen im elektromagnetischen, mechanischen und thermischen Bereich" bewältigt werden müssen, um die Marktintegration dieser Technologie zu fördern.