Yasa: Wie kleine E-Motoren in Zukunft riesige Leistung bringen
Nach mehr als 150 Jahren Entwicklung werden im frühen 21. Jahrhundert immer mehr Prototypen von Elektromotoren mit unerhört hoher Leistung vorgestellt. Im Juni zeigte Koenigsegg einen 39 kg schweren Motor mit 600 kW, also 15 kW pro kg. Im Juli folgte ein Motor von Yasa, einer Tochterfirma von Mercedes Benz, der eine Leistung von 550 kW mit nur 13,1 kg Gewicht(öffnet im neuen Fenster) haben soll, also 42 kW pro kg. Wie geht das?
Zum einen nur durch kreativen Umgang mit der Wahrheit. Das zeigt ein Vergleich mit älteren Modellen von Yasa, wie einem 160-kW-Motor(öffnet im neuen Fenster), der aber nur 60 kW Dauerleistung erbrachte, mit einem Gewicht von 28,2 kg. Dazu kommen weitere 24 kg für die Kühlung. Wie viel also das Gesamtsystem mit 550 kW Spitzenleistung über 5 Sekunden wiegt, kann aus den Angaben nicht abgeleitet werden, genauso wenig wie die Dauerleistung. In den 13,1 kg sind nur Magnete, Rotor, Gehäuse und Antriebswelle enthalten.
Dennoch ist ein deutlicher Fortschritt zu erkennen. Denn auch Koenigsegg machte 2022 schon Leistungsangaben(öffnet im neuen Fenster) für ein vollständig integriertes System mit Stromversorgung, Getriebe und Kühlung (aber wohl ohne Radiator und Kühlöl) von 8,3 kW/kg, mit 250 kW in 8 Litern Volumen. Auch das gilt nur für die Spitzenleistung. Alle Hersteller bemühen sich derzeit, möglichst hohe Zahlen zu erreichen, ohne große Rücksicht auf reale Motorsysteme.
Axialflussmotoren bieten trotzdem echte Vorteile
Aber es gibt einen ernsthaften physikalischen Hintergrund für die hohen Leistungszahlen. Neben leichter Materialtechnik aus Kohlefaser ist das vor allem die Umstellung auf Axialflussmotoren, im deutschen Sprachraum auch als Scheibenläufer bekannt. Magnetspulen und Permanentmagnete stehen sich dabei an Scheiben angeordnet gegenüber, anstatt einen Zylinder mit Permanentmagneten mit der Antriebsachse zu verbinden und darum herum Magnetspulen zum Antrieb anzuordnen. Koenigsegg verbindet sogar beide Techniken in einem System.
Die scheibenförmige Anordnung bringt große geometrische Vorteile mit sich, weil die vergleichsweise dünnen Scheiben im Vergleich zu zylinderförmigen Radialflussmotoren mehr Oberfläche zur Anordnung von Magneten und Magnetspulen zur Krafterzeugung haben. Es wird auch weniger Material zum Bau der inneren Motorbestandteile und zum Bau des Gehäuses benötigt.
Das gilt auch für die dicken und schweren Kupferverbindungen der Magnetspulen untereinander, die auf kurzem Weg am inneren Radius der Scheibe erfolgt, statt außerhalb des äußeren Radius eines Zylinders.
Dabei ist die Scheibenläufertechnik auf alle Konzepte von Elektromotoren anwendbar, auch auf Induktions- und Reluktanzmotoren, die Eisenkerne statt Permanentmagneten nutzen. Auch Stromgeneratoren funktionieren nach den gleichen Prinzipien und können als Scheibenläufer gebaut werden. Die Einsparung an Platz und Gewicht eröffnet damit auch größere Spielräume zum Ersatz von Kupfer durch Aluminium oder von Magneten aus seltenen Erden durch einfache Ferrit-Magnete, ohne Leistungsverlust im Vergleich zu heutiger Technik.
Deshalb lohnt es sich, über Axialflussmotoren zu reden. Denn sie sind nicht nur irrelevanter Hightech in Luxussportwagen, sondern können zu unglaublich langweiliger Alltagstechnik werden. Und es gibt in der Technik nichts Spannenderes, als diesen Prozess.
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.
Massenproduktion bedeutet nur ein paar Motoren pro Stunde
Yasa spricht zwar von einer Massenproduktion der Motoren für Mercedes, aber 10.000 bis 50.000 Motoren pro Jahr entsprechen im Mittel letztlich auch nur der Produktion eines Oberklassewagens pro Stunde. Die werden mit drei Motoren ausgestattet – einer vorn und zwei an der Hinterachse, wo zum Beschleunigen das meiste Drehmoment gebraucht wird. Mit zwei unabhängigen Motoren kann auf das Differential verzichtet werden.
Das liegt auch an der fehlenden Produktionstechnik. Fast alle Elektromotoren in Massenproduktion hatten bislang die Form von Radialmotoren. Deren Stator besteht nicht aus den unförmigen, halbrund-dreieckigen Eisenkernen der Axialflussmotoren, sondern aus symmetrischen, langen Eisenkernen aus ausgestanzten Scheiben. Die höhere Symmetrie half bei der Berechnung und Optimierung der Radialmotoren, sowohl der Magnetfelder, als auch der Statik und der Ansteuerung der Elektronik zur Vermeidung von Kraftspitzen bei minimalem Verzicht auf Effizienz.
Scheiben sind auch dünn und anfälliger für Querkräfte als Zylinder. Aber alle großen Kräfte beim Scheibenläufer sind Querkräfte zwischen den Magneten auf dem Rotor und den Elektromagneten des Stators, die sich anziehen – auch wenn natürlich ein Teil der Kraft in Vorwärtsbeschleunigung resultiert. Die Rotoren werden somit ständig verbogen und müssen das bei hohen Drehzahlen und Fliehkräften mechanisch aushalten. Der Motor darf dabei akustisch nicht zu laut werden.
Hinzu kommen die Probleme mit den großen Drehmomenten. Die sind zwar gewünscht, sorgen aber am Verbindungspunkt mit der Achse für große Kräfte, die eine zu dünne oder zu schwach ausgelegte Scheibe zerstören können.
Temperaturempfindliche Magnete bleiben ein Problem
Alle diese Probleme waren mit Radialmotoren in Zeiten von Rechenschiebern und leistungsschwachen Computern einfacher zu lösen. Zumal für gewichtsoptimierte Elektromotoren kaum Bedarf bestand, da Akkus schwerer waren und die meisten Elektromotoren stationär mit Netzspannung liefen. Der Entwicklungsaufwand ist groß und läuft bei Yasa bereits seit 15 Jahren. Doch die Nachfrage wird immer größer, ebenso die Zahlungsbereitschaft der Hersteller, was die technische Entwicklung beschleunigt.
Das Resultat der Entwicklung sind kleinere Motoren mit leichterem Gehäuse, die hohes Drehmoment entwickeln und geringere Ansprüche an das Getriebe stellen. Probleme ergeben sich durch die Temperaturempfindlichkeit der Neodym-Magneten, die durch Zusätze von über zehn Prozent Dysprosium zwar verbessert werden kann, dennoch das Kühlsystem vor Herausforderungen stellt. Deshalb wird die Spitzenleistung nur für wenige Sekunden erreicht.
Etwas schwerere Elektromotoren, die nur Eisen oder Ferrit-Magnete als aktives Material im Rotor nutzen, wären weit weniger empfindlich und könnten mit höheren Betriebstemperaturen kleinere und leichtere Kühler nutzen. Als Scheibenläufer könnten sie Elektroautos antreiben, ohne Nutzung seltener Erden und ohne im Vergleich zu heutigen Hochleistungsmotoren auf Leistung zu verzichten. Wobei es Elektroautos heute ohnehin weder an Drehmoment noch an Leistung fehlt.
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