Axial-Flux Permanentmagnet-Motoren

Axial-Flux-Motoren entwickeln sich zu einer der wichtigsten Elektromotor-Technologien für Hochleistungs-Elektroautos. Im Vergleich zu herkömmlichen Radialflussmotoren können sie sehr hohes Drehmoment und hohe Leistung aus einem deutlich dünneren Paket liefern. Das macht sie besonders attraktiv für Sportwagen und Performance-Elektroautos, bei denen Platz, Gewicht, thermische Stabilität und wiederholte Beschleunigung ebenso wichtig sind wie die Spitzenleistung.

Ein axialer Permanentmagnetmotor, oft abgekürzt als AFPM-Motor, nutzt dasselbe grundlegende elektromagnetische Prinzip wie ein herkömmlicher Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), ordnet den magnetischen Kreis jedoch anders an. Statt den Motor als langen Zylinder aufzubauen, ist ein Axial-Flux-Motor eher wie eine dünne Scheibe geformt.

Eine einfache Vorstellung des Unterschieds ist diese: Ein Radialflussmotor funktioniert wie ein Zylinder, während ein Axial-Flux-Motor wie ein Paar einander zugewandter Magnetscheiben arbeitet.

Funktionsweise

In einem herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) verläuft der Hauptflussweg senkrecht zur Drehachse. In einem Axial-Flux-Motor verläuft der Hauptflussweg parallel zur Achse. Das Ergebnis ist ein Motor in Form einer dünnen Scheibe statt eines langen Zylinders.

Rotor- und Statoranordnung: Die Kernkomponenten eines AFPM-Motors sind flache Scheiben. Die in der Hochleistungs-Automobilanwendung am häufigsten verwendete Anordnung ist die H-Konfiguration, auch als yokeless-and-segmented-armature- (YASA-) Topologie bezeichnet. Zwei Rotorscheiben mit Permanentmagneten sitzen auf beiden Seiten einer zentralen Statorscheibe und umschließen sie von links und rechts.

Magnetischer Kreis: Die Permanentmagnete auf den beiden Rotorscheiben blicken gleichzeitig von beiden Seiten auf den Stator. Der magnetische Fluss verläuft direkt von einem Rotor durch die Statorwicklung und in den gegenüberliegenden Rotor. Dadurch entsteht ein kurzer, verlustarmer magnetischer Pfad. Hinter den Magneten gibt es kein herkömmliches Rückenjoch, weshalb diese Topologie als „yokeless“ bezeichnet wird.

Statorwicklung: Der Stator besteht aus einzeln gewickelten Segmenten, die ringförmig um die Achse angeordnet sind. Jedes Segment ist eine separate Spule. Das vereinfacht Wicklung, Kühlung und Montage im Vergleich zu einem durchgehenden radialen Stator, erfordert aber auch eine präzise Fertigung und strenge Toleranzkontrolle.

Kommutierung und Steuerung: Wie jeder Synchronmotor benötigt auch ein AFPM-Motor eine elektronische Kommutierung. Ein Hochleistungs-Inverter versorgt die Statorspulen mit dreiphasigem Wechselstrom. Positionsrückmeldungen von einem Resolver oder Encoder ermöglichen die feldorientierte Regelung, damit das Statorfeld mit den Rotormagneten ausgerichtet bleibt.

Drehmomententstehung: Da beide Rotorflächen gleichzeitig zum Drehmoment beitragen und die Magnete nahe am Außendurchmesser der Scheibe sitzen, ist der wirksame Hebelarm bei gegebener Motormasse groß. Das ist der Hauptgrund, warum AFPM-Motoren eine sehr hohe Drehmomentdichte erreichen können.

Warum das für Elektroautos wichtig ist

Für Hersteller von Elektroautos ist der Hauptvorteil von Axial-Flux-Motoren nicht nur die hohe Spitzenleistung. Die dünne Bauform des Motors kann das gesamte Antriebssystem einfacher verpackbar machen, insbesondere in Performance-Fahrzeugen mit mehreren Motoren. Außerdem können Ingenieure mehr aktives magnetisches Material weiter von der Drehachse entfernt platzieren, wodurch das Drehmoment steigt, ohne den Motor länger zu machen.

Für Fahrer zeigt sich der Vorteil in einer starken Beschleunigung aus dem Stand, schneller Drehmomentreaktion und besserer Wiederholbarkeit bei harter Fahrweise. Die Technologie dürfte daher zuerst in teuren Performance-Elektroautos auftauchen, bevor sie in Mainstream-Modellen verbreitet wird.

Axial-Flux-Motoren sind besonders nützlich, wenn ein Hersteller hohe Leistung mit kompakter Bauweise kombinieren möchte. Deshalb ist die Technologie attraktiv für Performance-Elektroautos, elektrische Sportwagen, Hybrid-Hypercars und Anwendungen mit begrenzter Antriebsstranglänge.

Axial-Flux- vs. Radialflussmotoren

Vorteile

Hohe Drehmoment- und Leistungsdichte: Ein AFPM-Motor kann mehr Drehmoment pro Kilogramm und pro Liter liefern als ein Radialfluss-PMSM mit vergleichbarer Leistung. Der kurze Flussweg und der große aktive Durchmesser ermöglichen dem Motor ein starkes Drehmoment aus einem sehr kompakten Paket. Im Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé sind die Axial-Flux-Motoren nur wenige Zentimeter breit, dennoch kann jeder Motor je nach Anwendung mehrere hundert Kilowatt liefern.

Hohes Dauerleistungsvermögen: Mit dem richtigen Direktkühlungsdesign kann ein AFPM-Motor über längere Zeit einen hohen Anteil seiner Spitzenleistung halten als viele kompakte Radialflussmaschinen. Das macht die Technologie gut geeignet für Anwendungen mit wiederholter Volllastbeschleunigung, etwa auf der Rennstrecke, wo ein herkömmlicher Motor bei steigenden Temperaturen seine Leistung reduzieren müsste.

Kompakte Verpackung: Die dünne Scheibenbauform schafft Platz entlang der Antriebsachse. Das ist nützlich für Antriebe, bei denen zwei Motoren eine gemeinsame Achse teilen, oder wenn der Motor zwischen Batteriepaket und Rädern passen muss, ohne den Radstand zu verlängern.

Geringere Rotationsmasse des Rotors: Ein scheibenförmiger Rotor kann eine geringere Rotationsmasse haben als ein langer zylindrischer Rotor. Der Motor kann schnell auf Drehmomentanforderungen reagieren und trägt so zu einem direkten Ansprechverhalten und einer präzisen Leistungsabgabe bei.

Potentiell hoher Wirkungsgrad: Der kurze magnetische Flussweg kann einige Verluste reduzieren, und die kompakte Wicklungsanordnung kann helfen, Kupfer einzusparen. Der reale Wirkungsgrad hängt jedoch vom gesamten Motordesign, vom Inverter, vom Kühlsystem und vom Betriebspunkt ab. Axial-Flux-Motoren sind nicht automatisch in jeder Fahrsituation effizienter.

Einschränkungen

Seltene Erden: Wie die meisten Hochleistungs-Permanentmagnetmotoren verwendet auch ein AFPM-Motor Seltene-Erden-Magnete wie Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) oder Samarium-Kobalt (SmCo). Diese Magnete sind teuer, und die Lieferkette ist auf eine begrenzte Zahl von Ländern konzentriert.

Mechanische Komplexität: Die H-Konfiguration mit zwei Rotoren erzeugt große axiale Kräfte auf den Stator von beiden Seiten. Das Motorgehäuse muss diese Kräfte aufnehmen, ohne dass sich der Luftspalt zwischen Rotor und Stator verändert. Das stellt hohe Anforderungen an Lagerauslegung, Gehäusesteifigkeit, Montagegenauigkeit und Fertigungstoleranzen.

Wärmeabfuhr durch die Statorscheibe: Ein Radialflussmotor kann seinen Stator über einen Wassermantel um die Außenseite des Gehäuses kühlen. In einem AFPM-Motor liegt der Stator jedoch zwischen zwei Rotoren, sodass die Kühlung die Statorspulen direkt erreichen muss. Hochleistungsdesigns nutzen typischerweise eine direkte Ölkühlung, die auf oder durch die segmentierten Spulen gesprüht wird; das erhöht Verrohrung, Pumpen, Abdichtungsanforderungen und die Komplexität des Thermomanagements.

Kosten und Skalierbarkeit: AFPM-Motoren sind in der Massenproduktion noch weniger ausgereift als konventionelle Radialflussmotoren. Der segmentierte Stator, die präzise Luftspaltkontrolle, die Magnetplatzierung und das Direktkühlsystem können die Kosten erhöhen, insbesondere bevor die Produktionsvolumina steigen.

Neue Fertigungsprozesse: Das Stanzen von Rotorscheiben, das Ausrichten der Magnete, das Wickeln des segmentierten Stators und die Kontrolle der sehr kleinen Luftspalte erfordern Fertigungstechniken, die traditionell nicht Teil der gängigen Elektromotorenproduktion waren. Mercedes-Benz hat berichtet, dass etwa 65 der rund 100 Produktionsschritte zur Herstellung seiner Axial-Flux-Motoren im Werk Berlin-Marienfelde neu sind, viele davon als Weltpremieren beschrieben.

Widerstand beim Ausrollen: Wie alle Permanentmagnetmotoren kann auch ein AFPM-Motor Widerstand erzeugen, wenn sich der Rotor ohne Leistung dreht, weil die Magnete weiterhin Spannung in den Statorspulen induzieren. Einige Elektroautos verringern diesen Verlust, indem sie den Motor mechanisch entkoppeln, wenn er nicht benötigt wird, insbesondere an einer sekundären Achse.

Einsatz in Serien-Elektroautos

Der Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé ist eines der ersten Serien-Batterieelektroautos, das Axial-Flux-Motoren als Hauptantriebsmotoren nutzt. Das Fahrzeug verwendet drei von YASA entwickelte Axial-Flux-Motoren: einen an der Vorderachse und zwei an der Hinterachse, untergebracht in einer hinteren High-Performance Electric Drive Unit und einer vorderen Antriebseinheit. In der GT-63-Variante liegt die Spitzen-Systemleistung bei bis zu 860 kW.

YASA ist ein britischer Spezialist für Elektromotoren, der im Juli 2021 von Mercedes-Benz übernommen wurde. Seine Axial-Flux-Technologie wurde für zukünftige Mercedes-AMG Performance-Elektroautos entwickelt, bei denen hohe Leistungsdichte, kompakte Bauweise und wiederholbare Fahrleistung zentrale Designziele sind.

Auch andere Hochleistungshersteller haben Interesse an Axial-Flux-Designs gezeigt. Ferrari hat für sein Elettrica-Programm auf Axial-Flux-Motorentechnologie hingewiesen, während Koenigsegg den kompakten Quark-Axial-Flux-Motor im Gemera einsetzt. Diese Anwendungen zeigen, wo die Technologie derzeit am sinnvollsten ist: in teuren, auf Performance ausgerichteten Fahrzeugen, bei denen kompakte Größe und hohe Leistung die zusätzliche Komplexität rechtfertigen.

Zusammenfassung

Axial-Flux-Motoren bieten eine andere Art, einen elektrischen Traktionsmotor zu verpacken. Indem der magnetische Fluss entlang der Drehachse statt quer dazu angeordnet wird, können sie sehr hohes Drehmoment und hohe Leistung aus einem dünnen, scheibenförmigen Paket liefern.

Die Technologie ist kein universeller Ersatz für Radialflussmotoren. Sie bringt Herausforderungen bei Kühlung, Fertigung, Kosten, Luftspaltkontrolle und beim Einsatz von Selten-Erden-Magneten mit sich. Für Hochleistungs-Elektroautos sind die Vorteile jedoch erheblich. Axial-Flux-Motoren ermöglichen es Ingenieuren, mehr Leistung auf weniger Raum unterzubringen, das Drehmomentverhalten zu verbessern und wiederholte Fahrten unter hoher Last zu unterstützen.

Aus diesem Grund werden Axial-Flux-Motoren wahrscheinlich zu einer wichtigen Technologie in der nächsten Generation elektrischer Performance-Fahrzeuge, bevor sie sich mit steigender Produktion und sinkenden Kosten allmählich in breitere Elektroauto-Segmente ausbreiten.

Mehr erfahren

Sehen Sie sich dieses Munro-Live-Video an, um einen tieferen Einblick in das Design und die Fertigung von Axial-Flux-Motoren zu erhalten.