Geometrie ist der große Vorteil der Axialflussmotoren

Ein herkömmlicher Elektromotor besteht aus zwei Zylindern. Außen befindet sich der fest verbaute Stator aus Magnetspulen mit Eisenkernen, die mit einem äußeren Eisenmantel verbunden sind. Der Mantel sammelt die nach außen gerichteten Magnetfelder der Spulen, sodass die Energie dieser Felder nicht ungenutzt in der Umgebung verloren geht. Im Inneren befindet sich ein zylindrischer Rotor, der mit den Magnetfeldern der Spulen angetrieben wird.

Das Y in Yasa steht für yokeless , das bezieht sich auf diesen Eisenmantel, oder besser gesagt auf dessen Abwesenheit. Denn der Scheibenläufer hat zwei Rotoren und der Stator ist dazwischen angeordnet. So können die Magnetfelder auf beiden Seiten die Rotoren mit den Permanentmagneten antreiben, ohne die Magnetfelder zusätzlich mit dem Eisenmantel zu bündeln und umzuleiten.

Auch die Geometrie an sich hilft dem Scheibenläufer bei der Leistungssteigerung. Ein herkömmlicher Elektromotor liefert mit dem doppelten Durchmesser die vierfache Leistung bei vierfachem Gewicht. Ein Scheibenläufer liefert die achtfache Leistung beim vierfachen Gewicht, vorausgesetzt, dass das Material die zusätzlichen Kräfte aushält. Der Grund für die dritte Potenz bei der Leistungssteigerung sind die Hebelgesetze und die Flächenformeln für Scheiben, im Gegensatz zur Mantelfläche von Zylindern.

Viele Vorteile, aber nicht ohne Probleme

Das Drehmoment, also die Kraft, mit der die Motorachse von den Elektromagneten gedreht wird, hängt von der gesamten Querschnittsfläche der Eisenkerne in den Magnetspulen ab, mit denen diese Magnetfelder erzeugt werden, und der Fläche der Magnete mit denen sie interagieren. Hinzu kommt, wegen der Hebelgesetze, der Abstand von der Drehachse, an dem diese Kraft im Durchschnitt erzeugt wird.

Da die Fläche der Scheibe quadratisch mit dem Abstand zur Mitte wächst, beim herkömmlichen radialen Elektromotor aber nur mit dem Umfang des Zylinders, ergibt sich ein geometrischer Vorteil. Hinzu kommt, dass die Kraft zusätzlich linear mit dem Abstand zur Mitte wächst, also insgesamt mit der dritten Potenz. Die zylindrischen Bauteile eines radialen Elektromotors können zwar zusätzlich verlängert und so die Leistung gesteigert werden, aber die Achse kann genauso auch mit mehreren gestapelten Scheibenläufern angetrieben werden.

Vor allem kann der Axialflussmotor den Durchmesser viel besser ausnutzen, denn der Stator hat den gleichen Durchmesser wie der Rotor. Beim radialen Elektromotor nimmt der Stator aber den äußeren Teil des Elektromotors ein, ohne zum Drehmoment beizutragen. Das ist wichtig, denn die Mathematik zeigt, dass die Hälfte des Drehmoments von Scheibenläufern auf den äußeren 10,3 Prozent des aktiven Durchmessers der Scheibe erzeugt werden, wo sich sonst nur Magnetspulen und Eisenkerne befinden.

Dabei ist das Drehmoment nur ein Faktor für die Leistung des Motors, der andere ist die Drehzahl. Mit der doppelten Drehzahl kann auch mit dem halben Drehmoment die gleiche Leistung erreicht werden und mit einem passenden Getriebe kommt sogar die gleiche Kraft an den Rädern an, allerdings mit höheren Reibungsverlusten, größeren Fliehkräften und mehr elektrischen Verlusten durch Wirbelströme und andere Effekte von Wechselstrom mit hoher Frequenz.

Ganz ohne Probleme ist die Sache mit den Scheibenläufern jedoch nicht.