Axialflussmotoren: Die Zukunft des Elektroantriebs?

Schon dieses Jahr will Mercedes sein erstes Auto auf Basis der Plattform AMG.EA bringen, einen viertürigen Gran Turismo, der angeblich bis zu 750 kW haben soll. Für den Antrieb sorgen Axialflussmotoren. Doch was steckt hinter dieser neuen Technologie? Die US-Ingenieursfirma Munro hat einen solchen Motor auseinandergenommen und erklärt die Technik in einem Video.   

Praktisch alle heute verkauften Elektroautos besitzen Radialfluss-Elektromotoren; bei diesen sind die Linien des magnetischen Flusses radial, das heißt, sie führen von der Achse weg und zu ihr hin. Bei einem Axialflussmotor sind die Magnetfeldlinien dagegen axial ausgerichtet, das heißt parallel zur Achse. Zu den Vorteilen soll ein besonders hohes Drehmoment gehören. Soweit war uns das bekannt. Doch im neuesten Video von Munro erklärt Chefingenieur Paul Turnbull das Ganze viel anschaulicher.

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Bild von: Automedia

Munro kaufte einen Axialfluss-Antrieb für einen Rennwagen vom chinesischen Spezialisten Omni Powertrain. Schon auf den ersten Blick fällt der große Durchmesser und die geringe Dicke auf – das ist der Grund, warum man solche Motoren auch als Scheibenläufer bezeichnet.

Der Motor besteht aus einer Art Sandwich, und zwar ist in diesem Beispiel ein Rotor zwischen zwei Statoren angeordnet. Das ist ein Unterschied zu den Mercedes-Motoren, bei denen sich der Stator in der Mitte befindet und zwei Rotoren außen angeordnet sind.

Vor Paul liegen zwei große Teile. Aus der Kameraperspektive links liegt ein Stator, rechts ein Rotor mit dem zweiten Stator darunter. Wie die beiden Teile zusammengehören, kann Paul nicht zeigen, denn wenn er das Sandwich zusammenbauen würde, bräuchte er ein Brecheisen, um es wieder auseinanderzukriegen – so stark sind die eingebauten Permanentmagnete im Rotor. Denn ohne diese funktioniert kein Axialflussmotor, es sind Permanentmagnetmaschinen – der von Omni genauso wie der von Mercedes.

Da die Statoren außen liegen, können sie einfach gekühlt werden; Paul zeigt die Kühlkanäle. Als Kühlflüssigkeit wird hier Wasser verwendet – Mercedes dagegen nutzt eine Ölkühlung. In den beiden Statoren werden wie üblich Elektromagnete eingesetzt. Diese bestehen aus keilförmigen Stahlstücken, die von Kupferwicklungen umgeben sind. Der im Vergleich zu den Statoren ziemlich dünne Rotor enthält wie erwähnt Permanentmagnete, die in eine Plastikscheibe eingepasst sind. Damit die Magnete nicht auseinanderfliegen, wird das Ganze von einem Carbon-Ring zusammengehalten.

Da im Betrieb das rotierende Plastik zu statischen Ladungen führen kann, ist eine Kohlebürste integriert, die diese Ladungen ableitet. Sonst könnte es an den Lagern zu einem Lichtbogen kommen, der die Lager beschädigen würde.

Paul erklärt sehr anschaulich, wie die Magnetfeldlinien im Axialflussmotor und in einem konventionellen Radialflussmotor (aus dem Chevrolet Bolt) laufen. Die Linien verlaufen vom Nord- zum Südpol der Magneten und dann durch den Magneten hindurch; so entstehen die Schleifen des Magnetfelds.

Bild von: InsideEVs

Beim Axialflussmotor ist die Oberfläche, aus der die Magnetfeldlinien austreten, größer als beim Radialflussmotor; deshalb ist hier das Drehmoment größer, erklärt Paul. Deshalb sollte eine Axialflussmaschine bei gleicher Größe mehr Drehmoment erzeugen. In der Wirklichkeit, so Paul, hat jedoch ein Radialflussmotor die höchste Drehmomentdichte: der Elektromotor von Lucid. (Wie klein der Lucid-Motor ist, kann man sich in einem anderen Video von Munro ansehen.)

Ein Problem von Axialflussmotoren ist auch die Lagerung: Der Luftspalt zwischen den Statoren und Rotoren muss aus Effizienzgründen sehr klein sein und die Abstände müssen trotz der gewaltigen Anziehungskräfte zwischen den Scheiben konstant gehalten werden, was hohe Anforderungen an die Lager (und an die strukturelle Stabilität des Rotors) stellt. Alles in allem ist die Drehmomentdichte des Omni-Motors nicht viel größer als bei dem Serienmotor aus dem Chevy Bolt, so Paul.

Der Yasa-Motor besteht wie erwähnt aus einer anderen Sandwich-Folge; hier befindet sich Stator in der Mitte zwischen zwei Rotoren. Wie der Motor entstand und was er für Vorteile hat, erklärt Tim Woolmer im folgenden Video, Woolmer ist der Chef von Yasa, dem britischen Spezialisten für Axialflussmotoren, der 2021 von Mercedes übernommen wurde, und der die Antriebe für die AMG.EA-Plattform konstruiert.     

Im Video wird auch die Bedeutung des Firmennamens erklärt: Yasa steht für Yokeless And Segmented Armature (jochlos und segmentierter Anker). Als Joch bezeichnet man den Ring um den Stator, der segmentierte Anker auf die kleinen Stahlelemente im Stator, die von Wicklungen umgeben sind. Wie es zu diesen kleinen Ankersegmenten kam, erklärt Woolmer im Video mit den technischen Einschränkungen, die er bei seiner Doktorarbeit hatte: Interessant, wie solche Schwierigkeiten manchmal zu Innovationen führen.

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Unter dem Strich

Mercedes-Tochter Yasa hebt die enorme Drehmomentdichte ihres Axialflussmotors hervor. Doch die Ingenieursfirma Munro ist generell eher skeptisch gegenüber der Axialfluss-Technologie: Prinzipiell sei es möglich, mit solchen Maschinen mehr Drehmoment zu erzeugen, doch in der Realität habe der Radialflussmotor von Lucid die höchste Drehmomentdichte.

Das bezieht sich jedoch ausdrücklich auf die Motoren, die derzeit auf dem Markt sind. Ein erster Mercedes mit Axialfluss-Technik, ein Gran Turismo von der Sportabteilung AMG, soll noch dieses Jahr starten. Er ist anders aufgebaut als der von Munro analysierte, vor allem ist die Sandwich-Folge eine andere. Aber wir werden sehen, ob die neue Technik die hohen Erwartungen in Sachen Drehmomentdichte erfüllen kann. Und ob es eventuell andere Nachteile gibt, zum Beispiel bei der Langzeit-Haltbarkeit solcher Motoren, bei ihrem Stromverbrauch etc.