Scheiben statt Zylinder: Was Axialflussmotoren besser können

Das Wichtigste in Kürze

• Axialflussmotoren unterscheiden sich vom klassischen Elektromotor durch ihre scheibenförmige Bauweise und den axial verlaufenden magnetischen Fluss.
• Durch den größeren wirksamen Radius können sie häufig ein höheres Drehmoment bei kompakter Bauform erzeugen.
• Die Motoren erreichen eine hohe Leistungsdichte und benötigen weniger Bauraum als viele Radialflussmotoren.
• Fortschritte bei Permanentmagneten, Wicklungstechniken und Kühlung ermöglichen heute Wirkungsgrade von bis zu etwa 96 %.
• Besonders interessant ist die Bauform für Hochleistungsfahrzeuge, elektrische Fluggeräte und Anwendungen mit strengen Gewichtsanforderungen.
• Die präzise Fertigung und hohe Anforderungen an Materialqualität machen Axialflussmotoren derzeit noch teurer als klassische Elektromotoren.

Elektromotoren gehören zu den effizientesten Maschinen der Technik. Ihr Grundprinzip ist seit über einem Jahrhundert bekannt. Trotzdem entwickelt sich die Bauweise weiter. Besonders in Bereichen mit hohen Leistungsanforderungen rückt eine Motorarchitektur stärker in den Fokus: der Axialflussmotor.

Während klassische Elektromotoren meist nach dem Radialprinzip arbeiten, setzt diese Bauform auf einen völlig anderen Aufbau. Hersteller sehen darin eine Möglichkeit, Leistung, Gewicht und Bauraum neu auszubalancieren. Vor allem im Hochleistungssegment von Elektroautos und in der elektrischen Luftfahrt wächst das Interesse. Doch was unterscheidet diese Motoren tatsächlich – und warum gelten sie in bestimmten Anwendungen als überlegen?

Zwei Motorprinzipien – radial und axial

Die meisten Elektromotoren arbeiten nach dem sogenannten Radialflussprinzip. Dabei sitzt ein Rotor im Inneren eines ringförmigen Stators. Das Magnetfeld verläuft radial – also quer zur Drehachse.

Beim Axialflussmotor ist die Geometrie anders. Rotor und Stator sind scheibenförmig angeordnet. Der magnetische Fluss verläuft parallel zur Drehachse. Deshalb wird diese Bauform häufig auch Scheibenläufer genannt.

Der Unterschied wirkt zunächst konstruktiv. In der Praxis verändert er jedoch mehrere Eigenschaften des Motors – etwa den magnetischen Flussweg, das Drehmoment oder die Baugröße.

Beim klassischen Radialmotor verläuft der magnetische Fluss durch einen ringförmigen Statorkern. Beim Axialmotor wandert er direkt von einer Rotorscheibe durch den Stator zur gegenüberliegenden Seite. Der Weg des Magnetfelds ist damit kürzer und direkter. Das kann Verluste reduzieren und die Nutzung des magnetischen Materials verbessern.

Eine alte Idee erlebt ein Comeback

Axialflussmaschinen sind keineswegs eine neue Erfindung. Erste Konzepte wurden bereits im 19. Jahrhundert entwickelt. Lange Zeit blieb die Bauform jedoch eine technische Randerscheinung.

Der Grund lag in der Fertigung. Rotor und Stator müssen sehr präzise zueinander ausgerichtet sein. Schon kleine Abweichungen verändern den Luftspalt zwischen den Bauteilen und können starke magnetische Kräfte erzeugen.

Erst moderne Materialien, leistungsfähige Simulationen und automatisierte Produktionsverfahren haben diese Probleme entschärft. Dadurch wird die Bauform heute auch für Serienprodukte interessant.

Warum der Axialmotor mehr Drehmoment erzeugen kann

Ein zentraler Vorteil liegt im Drehmoment. In Elektromotoren entsteht Drehmoment durch elektromagnetische Kräfte zwischen Rotor und Stator. Beim Axialflussmotor greifen diese Kräfte in vielen Konstruktionen weiter außen am Rotor an. Dadurch entsteht ein größerer Hebelarm.

Nach dem Hebelgesetz kann bei gleichem Durchmesser mehr Drehmoment entstehen. Viele Axialmotoren erreichen deshalb eine höhere Drehmomentdichte als vergleichbare Radialmotoren. Entwickler können damit kleinere Motoren einsetzen oder auf zusätzliche Getriebe verzichten.

Gerade im Fahrzeugbau ist das interessant. Weniger mechanische Bauteile bedeuten geringeres Gewicht und geringere Verluste im Antriebsstrang.

Leistungsdichte: entscheidend für Fahrzeuge und Fluggeräte

Eine der wichtigsten Kennzahlen moderner Elektromotoren ist die Leistungsdichte oder das Leistungsgewicht. Sie beschreibt, wie viel Leistung ein Motor pro Kilogramm Gewicht erzeugt. Konventionelle Elektromotoren in Elektrofahrzeugen erreichen häufig etwa 2 bis 5 kW pro kg. Axialflussmotoren können deutlich höhere Werte erreichen.

Ein Beispiel ist der Evolito-Motor D250. Er liefert rund 230 kW Leistung bei etwa 13 kg Gewicht. Hersteller nennen teilweise Leistungsdichten von über 10 kW pro kg. Diese Eigenschaften sind vor allem für mobile Anwendungen interessant. Ein leichter Motor reduziert das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs und kann die Reichweite erhöhen. In der Luftfahrt ist dieser Effekt noch wichtiger. Jedes eingesparte Kilogramm erhöht Nutzlast oder Flugdauer.

Axialflussmotor (Scheibenläufer)

• Magnetischer Fluss verläuft parallel zur Drehachse
• Rotor und Stator sind scheibenförmig angeordnet
• Hoher Hebelarm für elektromagnetische Kräfte
• Hohe Drehmoment- und Leistungsdichte möglich
• Kompakte Bauform mit geringem Bauraum
• Anspruchsvolle Fertigung wegen kleiner Luftspalte

Kompakte Bauform spart Bauraum

Neben Gewicht und Leistung spielt der Bauraum eine große Rolle. Radialmotoren sind zylindrisch aufgebaut. Der Rotor dreht in einem ringförmigen Stator. Dadurch benötigen sie relativ viel Länge im Antriebsstrang.

Axialmotoren dagegen bestehen aus rotierenden Scheiben. Die Bauform ist deutlich flacher. Der CEO des Motorherstellers YASA, Jörg Miska, beschreibt diesen Vorteil so: „Er ist deutlich kompakter.“

Die flache Geometrie erleichtert die Integration in Fahrzeuge. Besonders Hybridantriebe profitieren davon, weil sich der Motor leichter in bestehende Antriebsstrukturen einbauen lässt.

Effizienz und Kühlung

Elektromotoren erreichen generell hohe Wirkungsgrade. Werte über 90 % sind üblich. Axialflussmotoren können laut Herstellerangaben Wirkungsgrade von etwa 96 % erreichen. Ein Grund dafür ist die Kühlung. In vielen Axialmotoren lassen sich die Kupferwicklungen direkt kühlen. Dabei umspült eine nicht leitende Flüssigkeit die Spulen.

Die Wärme entsteht direkt in den Wicklungen. Wird sie dort abgeführt, bleibt der elektrische Widerstand gering und der Motor kann länger hohe Leistung liefern. Jörg Miska erklärt: „Im klassischen Radialantrieb entwickeln die Kupferspulen Wärme, die schwierig abzuführen ist.“ Eine effiziente Kühlung verbessert vor allem die Dauerleistung eines Motors.

Moderne Materialien machen den Unterschied

Die hohe Leistungsdichte moderner Axialmotoren wäre ohne Fortschritte bei Materialien kaum möglich. Viele Motoren nutzen Permanentmagnete aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB). Diese erzeugen besonders starke Magnetfelder.

Zudem kommen neue Wicklungstechniken wie Hairpin-Wicklungen oder weichmagnetische Verbundstoffe zum Einsatz. Sie ermöglichen kompaktere Statorstrukturen und reduzieren Verluste. Auch Leistungselektronik und Steuerungssysteme haben sich deutlich verbessert. Dadurch lassen sich Motoren präziser regeln und effizienter betreiben.

Technische Herausforderungen

Die Bauform bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Axialflussmotoren erzeugen starke axiale Magnetkräfte zwischen Rotor und Stator. Diese Kräfte wirken entlang der Drehachse und stellen hohe Anforderungen an Lager, Gehäuse und Montage. Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator muss sehr präzise eingehalten werden.

Auch die Fertigung ist anspruchsvoll. Schon kleine Toleranzabweichungen können das Verhalten des Motors beeinflussen. Deshalb sind Axialmotoren derzeit meist teurer als konventionelle Elektromotoren.

Einsatz in Sportwagen und Luftfahrt

Besonders verbreitet sind Axialflussmotoren derzeit im Hochleistungssegment. Im Ferrari SF90 oder im Lamborghini Revuelto arbeiten solche Motoren bereits als elektrische Zusatzantriebe.

Auch Mercedes plant den Einsatz in kommenden elektrischen AMG-Modellen. Neben der Automobilindustrie zeigt auch die Luftfahrt Interesse. Elektrische Fluggeräte benötigen leichte und leistungsstarke Motoren. Axialmotoren können Propeller direkt antreiben und sparen dadurch Getriebe.

Neue Anwendungen entstehen

Die flache Bauweise eröffnet weitere Möglichkeiten. Axialmotoren eignen sich beispielsweise für Radnabenantriebe, bei denen der Motor direkt im Rad sitzt. Auch modulare Antriebssysteme für elektrische Fluggeräte oder Drohnen lassen sich damit realisieren.

In solchen Konzepten können mehrere Motoren kombiniert werden, um Leistung und Redundanz zu erhöhen.

Warum Radialmotoren weiterhin dominieren

Trotz ihrer Vorteile werden Axialflussmotoren klassische Elektromotoren nicht kurzfristig ersetzen. Radialmotoren werden seit Jahrzehnten in großen Stückzahlen produziert. Die Fertigungsprozesse sind gut beherrscht und kostengünstig.

Axialmotoren erfordern dagegen präzisere Fertigung und aufwendigere Qualitätskontrollen. Deshalb werden sie derzeit vor allem dort eingesetzt, wo Leistung und Gewicht wichtiger sind als Produktionskosten.

Vergleich der Motorbauformen

Fazit: Eine vielversprechende Ergänzung zum klassischen Motor

Axialflussmotoren zeigen, dass auch beim Elektromotor noch Entwicklungspotenzial steckt. Ihre scheibenförmige Bauweise ermöglicht hohe Drehmoment- und Leistungsdichten bei kompakter Bauform.

Besonders in Hochleistungsfahrzeugen, Fluggeräten und neuen Mobilitätskonzepten spielen diese Motoren ihre Vorteile aus.

Für Massenfahrzeuge bleibt der Radialflussmotor vorerst die wirtschaftlichere Lösung. Doch in Anwendungen, bei denen Gewicht, Bauraum und Leistung entscheidend sind, dürfte der Axialflussmotor künftig häufiger zum Einsatz kommen.