Axialmagnetflussmotoren: Warum ist die Serienfertigung so schwierig, obwohl sich Prototypen leicht herstellen lassen?

In den letzten zwei Jahren waren Motoren mit axialem Magnetfluss zweifellos der heißeste technologische Trend in der Welt der Elektroantriebe. Sie haben die Form eines “großen Fladbrots”, sind nur ein Drittel so dick wie herkömmliche Motoren, weisen jedoch eine um das 30%- bis 50%-Fache höhere Leistungsdichte auf und sind damit zur zentralen Antriebsoption in Bereichen wie High-End-Elektrofahrzeugen, Radnabenantrieben, eVTOL-Flugautos und Robotergelenken geworden.

In der Branche gibt es jedoch eine unangenehme Realität: Prototypen gibt es wie Sand am Meer, Serienprodukte sind jedoch rar. Im Labor entstehen zwar immer wieder Prototypen mit beeindruckender Leistung, doch nur sehr wenige Akteure – darunter das von Mercedes-Benz übernommene Unternehmen YASA und der chinesische Hersteller Panhu Power – erfüllen tatsächlich die Anforderungen der Automobilindustrie und sind in der Lage, eine stabile Serienproduktion zu gewährleisten. Der Hauptgrund dafür ist, dass zwischen Prototypen und Serienproduktion eine kaum zu überwindende Kluft besteht.

In der Prototypenphase wird die “Optimierung einzelner Punkte” angestrebt, wobei drei Vorteile zum Tragen kommen, die in der Serienfertigung unerreichbar sind: Materialkosten spielen keine Rolle, N52EH-Neodym-Eisen-Bor und SMC-Weichmagnet-Verbundwerkstoffe können frei gewählt werden; die Präzision beruht auf Handarbeit – Langsamdrahtschneiden, Flachschleifen und sogar manuelles Schaben durch erfahrene Meister; die individuelle Anpassung jedes einzelnen Teils gewährleistet einen gleichmäßigen Luftspalt; es werden ausschließlich Spitzenleistungen gemessen, ohne Berücksichtigung der Lebensdauer von 100.000 km oder der Temperaturerhöhung bei kontinuierlicher hoher Belastung.

Die Serienfertigung bedeutet, dass alle Toleranzen wegfallen und vier große Hürden im Weg stehen. Erstens: Die Fehlertoleranz beim Luftspalt im Mikrometerbereich liegt bei null. Der Luftspalt zwischen den flächig gegenüberliegenden Teilen eines Axialmotors beträgt in der Regel nur 0,5 bis 1,5 Millimeter, wobei die Gleichmäßigkeit auf ± einige Dutzend Mikrometer begrenzt sein muss; Bei der Sandwich-Konstruktion kann die magnetische Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor im Nahbereich fast eine Tonne erreichen; schon bei geringfügiger Schräglage während der Montage kommt es zu einem Verhaken und Blockieren. Zweitens bestehen in den automatisierten Anlagen tote Winkel. Die bestehenden Produktionslinien sind meist für zylindrische Radialmotoren ausgelegt. Die flache Bauweise von Axialmotoren, die spiralförmige Wicklung und die dünnen, spröden Magnetbleche erfordern völlig neue Ausrüstungskonzepte; zudem beeinträchtigt das starke Magnetfeld die Greifvorgänge der Roboterarme. Drittens ist die Wärmeableitung sehr schwierig. Der Stator ist wie ein “Roujiamo” zwischen den beiden Rotoren eingeklemmt, sodass die Wärme nur schwer abgeführt werden kann; bei anhaltend hoher Belastung kommt es bereits bei Temperaturen über 120 °C zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der Magnetbleche. Viertens sind die Kosten für die Lieferkette von Hochleistungsmaterialien hoch; die Stabilität der Massenproduktion sowie der Preisdruck bei SMC, Siliziumstahl hoher Güteklassen und hochtemperaturbeständigen Isoliermaterialien sind erheblich.

Derzeit wird die Mercedes-Benz YASA-Technologie bereits in rein elektrischen AMG-Modellen eingesetzt, und im Bereich der Nutzfahrzeuge wurden bereits Zehntausende Einheiten mit Radnabenantrieb ausgeliefert, sodass die Branche allmählich die Schwelle zur Serienproduktion überschreitet. In den nächsten fünf bis acht Jahren wird sich jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit weiterhin das Muster durchsetzen, dass Radialmotoren mit flachen Wicklungen den Großteil des Absatzes ausmachen, während Axialmotoren mit magnetischem Fluss den High-End-Markt erobern.

Bei Prototypen steht das elektromagnetische Design im Vordergrund, bei der Serienfertigung kommt es hingegen auf die Systemkompetenz an. Angesichts der Herausforderungen bei der automatisierten Montage und der Präzisionskontrolle in der Serienfertigung von Axialmotoren bietet Jiuju Lösungen für die automatisierte Montage und Magnetisierung von Scheibenmotoren an, die Kernprozesse wie die präzise Montage von Magnetelementen, die kraft- und positionsgesteuerte Montage von Stator und Rotor sowie die Online-Prüfung des Luftspalts ab. Durch die servogesteuerte Kraftregelung wird die starke magnetische Anziehungskraft schrittweise abgebaut, wodurch eine Montagegenauigkeit im Mikrometerbereich und eine gleichbleibende Qualität in der Serienfertigung gewährleistet werden. Damit bietet das Unternehmen die notwendige technologische Unterstützung, um den Übergang von Prototypen zu einer groß angelegten Serienfertigung von Axialflussmotoren zu ermöglichen.

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