Mercedes schafft, woran viele scheiterten: Axialflussmotor geht in Großserie

Es ist so weit: Mercedes-Benz hat im Werk Berlin-Marienfelde die Großserienproduktion seines neuen elektrischen Axialflussmotors gestartet. Zum Produktionsstart reiste auch Bundesverkehrsminister Patrick Schnieder nach Marienfelde.

Damit feiert der kompakte Hochleistungsmotor im neuen Mercedes-AMG GT 4‑Türer Coupé seine Weltpremiere in einem Serienfahrzeug. Zugleich etabliert Mercedes-Benz das 1902 gegründete Werk Berlin-Marienfelde als Kompetenzzentrum für die Herstellung von High-Performance-Elektromotoren. 

Der Axialflussmotor: Höchstleistung auf kleinstem Bauraum

Klassische V8-Verbrenner zeichnen sich durch extreme Kraft, spontanes Drehmoment und ein hohes Drehzahlniveau aus. In der Elektromobilität gilt der Axialflussmotor als technologischer Erbe dieses Konzepts. Er ist extrem kompakt gebaut, liefert aber eine radikal hohe Leistungsdichte, die sich unmittelbar und brachial entfaltet. Mercedes schwärmt in einer Pressemitteilung vom „V8 des Elektrozeitalters“.

Mercedes spricht von weniger als einem Drittel Bauraum, einem Drittel Gewicht und einer dreifachen Leistungsausbeute – im Unterschied zu konventionellen Radialflussmotoren verläuft der elektromagnetische Fluss beim Axialflussmotor parallel zur Drehachse. Die wesentlichen Komponenten sind demnach scheibenförmig angeordnet: Zwei Rotoren umschließen den Stator sandwichartig von links und rechts, in England wird der Antrieb daher auch „Pancake“-, also Pfannkuchen-Antrieb genannt.

Einer der großen Vorteile von Axialflussmotoren liegt in ihrer hohen Leistungs- und Drehmomentdichte: Da die Magnetfeldrichtung parallel zur Motorwelle verläuft, ist der magnetische Flussweg kürzer, was zu einer besseren Ausnutzung des Magnetfelds führt. Dies ermöglicht ein höheres Drehmoment und eine höhere Leistungserzeugung in einem kleineren Volumen, was die Beschleunigung und das Handling des Fahrzeugs erheblich verbessert.

Bessere Kühlung, mehr Power

Der Axialflussmotor liefert darüber hinaus eine deutlich höhere Dauerleistung als ein konventioneller E-Antrieb. Hauptgrund dafür ist eine bessere Kühlung: Eine nicht leitende Flüssigkeit umspült direkt die Kupferspulen. Jörg Miska, CEO von Yasa, erläutert: „Im klassischen Radialantrieb entwickeln die Kupferspulen Wärme, die schwierig abzuführen ist. Und wenn das Kupfer zu heiß wird, fällt die Leistung ab – und Energie verpufft.“

Der Effekt der Kühlung im Axialantrieb: Seine Kupferwicklungen können viel besser gekühlt werden als beim normalen E-Motor, was den Yasa-Antrieb speziell für Hochleistungsanforderungen empfiehlt.

Wie geschaffen für die Mercedes-Tochter AMG: Bei der Rekordfahrt des Concept AMG GT XX im süditalienischen Nardò habe es auch nach zahlreichen Rennstarts keinen Leistungsverlust gegeben.

Klein, aber oho

Wie gering die Maße des Axialflussmotors – der auch als Scheibenläufermotor bezeichnet wird – sind, verdeutlichen die Spezifikationen: Der Motor ist an der Vorderachse nur knapp 9 cm breit; die beiden Motoren an der Hinterachse messen jeweils rund 8 cm in der Breite. Die drei Antriebe sind je Achse in sogenannte High Performance Electric Drive Units (HP.EDU) integriert, wo sie gemeinsam mit einem kompakten Eingang-Planetenradgetriebe in einem Gehäuse vereint sind.

Der britische Elektromotorenspezialist Yasa hat das Grundprinzip des Axialflussmotors aufgegriffen und einen Prototypen entwickelt, auf dem der heutige Motor beruht. Seit der Übernahme von Yasa als hundertprozentiges Tochterunternehmen der Mercedes-Benz AG im Jahr 2021 haben die Stuttgarter die Technologie weiterentwickelt.

Dies betrifft sowohl das Produkt selbst als auch den Produktionsprozess, um beide an die Anforderungen der automobilen Großserienproduktion, Hochleistung und Dauerbelastbarkeit anzupassen. Ein Beispiel: Der Axialflussmotor an der Vorderachse erreicht Drehzahlen von mehr als 15.000 Umdrehungen pro Minute.

Ein Motor für Dauerleistung und Rekorde

Welches Leistungspotenzial in dieser Technologie steckt, wird bei den Werten des neuen Mercedes-AMG GT 4-Türer Coupé deutlich: Es beschleunigt in nur 2,1 s von 0 auf 100 km/h und erreicht mit dem sogenannten Driver’s Package eine Höchstgeschwindigkeit von 300 km/h.

Seine Leistungsfähigkeit demonstrierte das Konzept bereits im Vorjahr mit einer Rekordfahrt in Nardò an Bord des Technologieträgers Concept AMG GT XX: In sieben Tagen und 13 Stunden absolvierte dieser mehr als 40.000 km und stellte 25 Langstreckenrekorde auf. Dazu gehört einer über 10.000 km in 44 Stunden – pro Tag wurden durchschnittlich 5300 km zurückgelegt. Eine Erdumrundung (Äquatorstrecke) gelang zudem in etwas mehr als 7,5 Tagen.

„Enorme Performance und extrem schnelles Laden waren dauerhaft abrufbar und haben diese Rekorde ermöglicht“, sagt Michael Schiebe – damals AMG-Chef, heute Produktionsvorstand der Mercedes-Benz Group. Und das unter extremen Bedingungen: Temperaturen von 35 °C, auf der Strecke teils höher, setzten Team und Maschine zu. Das Fahrzeug fuhr dabei konstant 300 km/h, die kurzen Stopps wurden mit einer Ladeleistung von 850 kW erledigt.

Axialflussmotoren: Die Herausforderungen bei der Produktion

Mercedes macht deutlich, dass die Großserienproduktion des Axialflussmotors in Berlin-Marienfelde hohe Anforderungen an Präzision, Prozesssicherheit und Automatisierung stelle. Die kompakte Bauform und hohe Leistungsdichte des Motors erfordern Fertigungsverfahren, die eigens neu entwickelt und für die Großserie industrialisiert wurden. 

Ein Beispiel sei die Herstellung der Kupferspulen. Um die hohe Leistungsdichte des Motors zu erreichen, wird im Stator unter anderem rechteckiger Kupferdraht verwendet. Dadurch könne im gleichen Bauraum mehr Kupfer eingebracht werden als mit rundem Draht. Der Draht müsse jedoch mit hoher Geschwindigkeit in enge Radien gebogen werden, ohne dass Falten entstehen, die Isolierung beschädigt oder der Querschnitt verringert werde. Mercedes-Benz habe dafür in Zusammenarbeit mit Partnern ein spezielles Verfahren entwickelt, das Präzision und industrielle Taktfähigkeit verbinde. 

Auch die Verschaltung der Spulenpakete im Stator sei technologisch anspruchsvoll. Jedes Spulenende muss in sehr begrenztem Bauraum mit dem passenden Verschaltungsdraht verbunden werden – ohne thermische Schädigung benachbarter Kunststoffstrukturen. Die Lösung ist eine hochpräzise Laserverbindung der Kupferdrähte. Sie ermögliche einen minimalen Energieeintrag an der Schweißstelle bei gleichzeitig sehr kurzer Prozesszeit. 

Polymerschweißen per Laser

Ein weiteres Beispiel für präzisionskritische Fertigungsprozesse sei das Polymerschweißen. Die simultane Lasertransmissionsverschweißung von Kunststoffteilen im Antriebsstrang erfordere höchste geometrische Genauigkeit und minimalinvasiven Energieeintrag, um Beschädigungen in der direkten Umgebung zu vermeiden.

KI-gestützte optische Echtzeit-Qualitätskontrolle dokumentiere die Verbindung unmittelbar und unterstütze so die Prozesssicherheit. Bei der Konditionierung von Fügepartnern erkennt KI-gestützte Bildverarbeitung die exakte Lage eines Bauteils, legt virtuelle Schutzzonen über sensible Bereiche und stellt sicher, dass der Laser gezielt nur die vorgesehenen Oberflächen bearbeitet. Die derart verbundenen Komponenten sind sowohl öldruckdicht als auch mechanisch hochbelastbar. 

Hochpräzise Endmontage

Die Stuttgarter heben hervor, dass die Endmontage, intern als „Hochzeit“ bezeichnet, besonders eindrucksvoll sei. Dabei wird der Stator zwischen zwei Rotorscheiben mit Magneten positioniert und fest verbunden. Auf die Komponenten wirken dabei magnetische Kräfte von bis zu 9 kN (Kilonewton) – das entspricht rund 900 kg. Gleichzeitig muss der Stator mit einer Toleranz von weniger als 0,1 mm in der magnetischen Mittelebene bleiben.

Ein Regelungsalgorithmus korrigiere die Position in den letzten 0,5 s des Prozesses mit hochfrequenten Regelimpulsen. Entscheidend sei dabei nicht Kraft allein, sondern intelligente Regelung, sensible Sensorik und exakte Prozessführung. 

Was aufgrund der Komplexität lange als kaum realisierbar galt, wird also nun in Großserie gefertigt. Insgesamt umfasst die Fertigung 98 Prozessschritte. 65 davon kommen erstmals bei Mercedes-Benz zum Einsatz, 35 Prozesse sind weltweit neu. Die dafür entwickelten Technologien führten nach Angaben von Mercedes zu mehr als 30 Patentanmeldungen.