Axialfluss: Die Physik hinter dem Motor, der Antriebswellen überflüssig macht

Wenn Sie die Motorhaube eines Tesla Model S Plaid öffnen, werden Sie ein Wunderwerk der Ingenieurskunst entdecken. Aber es sieht immer noch wie ein Motor aus – ein schweres, zylindrisches Fass aus Kupfer und Stahl. Dabei handelt es sich um einen Radial Flux-Motor, der die gesamte EV-Revolution bis zu diesem Zeitpunkt angetrieben hat.

Aber wenn man sich das Mercedes-Benz Vision One-Eleven-Konzept anschaut, sind die Motoren weg. Oder besser gesagt, sie sind in den Rädern verschwunden.

Das ist das Versprechen der Axial Flux-Technologie. Es ist nicht nur ein besserer Motor; Es handelt sich um eine Änderung des Formfaktors, die dazu führen könnte, dass Antriebswellen, Differentiale und Achsen für immer aus dem Auto verschwinden.

Die Physik: Radial vs. Axial

Um zu verstehen, warum das wichtig ist, müssen wir zu Physik 101 zurückkehren. Drehmoment = Kraft × Radius

Radialer Fluss (Der Standard)

Bei einem Standardmotor (Radialfluss) drehen sich die Magnete in einer stationären Spule (Stator). Die Magnetkraft wirkt senkrecht zur Achse und schiebt sie herum.

• Die Einschränkung: Um mehr Drehmoment zu erhalten, benötigen Sie einen längeren Motor (mehr Magnete) oder einen breiteren Motor (mehr Hebelwirkung). Doch die Kupferwicklungen an den Enden des Zylinders (Wicklungsköpfe) erzeugen lediglich Wärme. Sie sind „Eigengewicht“.
• Die Wärmefalle: Die Kupferspulen sind tief im Eisenkern vergraben. Um die Wärme abzuführen, muss sie durch Schichten aus Stahl und Isolierung wandern, bevor sie auf den Wassermantel an der Außenseite trifft.

Axialer Fluss (Der Pfannkuchen)

Bei einem Axialflussmotor ist der Rotor eine Scheibe und der Stator eine Scheibe daneben. Der magnetische Fluss fließt parallel zur Achse und umschließt die Spulen.

• Der Hebel-Hack: Da der Motor eine flache Scheibe ist (wie ein Pfannkuchen), werden die aktiven Magnete weiter aus der Mitte herausgedrückt. Erinnern Sie sich an Torque = Force × Radius? Indem Sie die Kraft auf den äußeren Rand der Scheibe verlagern, erhalten Sie eine enorme mechanische Hebelwirkung ohne zusätzliches Gewicht.
• Kein totes Kupfer: Die Spulen sind einfache flache Schleifen. Fast 100 % des Kupfers trägt zum Drehmoment bei.

Der Albtraum der Fertigung

Wenn Axial Flux besser ist, warum nutzt es dann nicht jeder? Weil der Bau eines solchen Gebäudes ein Albtraum ist.

Wenn bei einem Standard-Sternmotor der Spalt zwischen Rotor und Stator um einen Millimeter abweicht, läuft er etwas ineffizient. In einem Axialflussmotor ist die Anziehungskraft zwischen den beiden Magnetscheiben immens – tonnenweise Druck, der versucht, sie zusammenzuschlagen.

• Der Luftspalt: Hersteller müssen einen Luftspalt von weniger als einem Millimeter zwischen zwei rotierenden Scheiben einhalten, die sich unter massiven magnetischen Belastungen biegen.
• Lagerbelastung: Die Axialkräfte zerstören Standardlager. Sie benötigen massive, schwere Drucklager, um zu verhindern, dass sich die Flächen berühren, was Ihre Gewichtsersparnis aufzehrt.

Der YASA-Durchbruch: „Jochlose“ Kühlung

Axialflussmotoren sind nicht neu – sie existieren theoretisch schon seit einem Jahrhundert. Aber sie hatten einen fatalen Fehler: Hitze. Durch das Zusammenlegen zweier Magnetscheiben entsteht ein Schnellkochtopf. Es gab keine Möglichkeit, die Mitte des „Pfannkuchens“ zu kühlen, ohne den Motor zu zerstören.

Da ist YASA (Yokeless And Segmented Armature), ein Spin-out der Universität Oxford, das von Mercedes-Benz übernommen wurde.

Ihr Durchbruch war ein „Yokeless“-Stator.

1. 3D-Ölkanäle: Anstatt Öl nur auf die Außenseite zu sprühen, pumpt Yasa Kühlöl durch die Mitte der Statorspulen.
2. Der dielektrische Unterschied: Sie verwenden ein dielektrisches (nicht leitendes) Öl, das in direktem Kontakt mit dem Kupfer fließt. Es kühlt nicht nur das Gehäuse; es kühlt den Draht selbst.
3. Das Ergebnis: Ein Motor, der 50 lbs (23 kg) wiegt, aber 480 PS leistet.
   • Vergleich: Ein Standard-EV-Motor mit dieser Leistung würde fast 200 Pfund wiegen.

Materialwissenschaft: Das geheime Pulver

Standardmotoren verwenden laminierte Stahlbleche (Siliziumstahl) zur Führung des Magnetismus. Yasa verwendet Soft Magnetic Composites (SMC).

• Was ist das?: Anstelle von Blechen werden Eisenpulverkörner verwendet, die mit einer isolierenden Keramikschicht überzogen und in 3D-Formen gepresst sind.
• Die Physik:
  • Wirbelströme: In massivem Eisen erzeugen sich ändernde Magnetfelder unerwünschte elektrische Ströme (Wirbelströme), die Wärme erzeugen. Bei SMC stoppt die Isolierung um jedes einzelne Korn diese Ströme.
  • 3D-Fluss: Laminierter Stahl leitet den Magnetismus nur in 2D (entlang des Blechs). SMC ermöglicht den Fluss des Magnetismus in 3D und ermöglicht so komplexe „Klauenpol“-Designs, die den Magneten noch mehr Drehmoment entziehen.

Warum es wichtig ist: Der Krieg um das „ungefederte Gewicht“.

Der heilige Gral des Autodesigns ist der In-Wheel-Motor. Wenn Sie den Motor in das Rad einbauen können, können Sie das Getriebe, die Antriebswelle, die Achsen und das Differential weglassen. Sie erhalten ein völlig flaches Auto – ein echtes „Skateboard“ mit unendlich viel Platz im Innenraum.

Das Problem: „Ungefederte Masse“.

• Definiert: Gewicht, das von der Federung (Räder, Reifen, Bremsen) nicht getragen wird.
• Die Physik: F = ma. Wenn ein schweres Rad auf eine Unebenheit trifft, gewinnt es enorm an Auftrieb. Die Aufhängungsfeder muss diesem Schwung entgegenwirken, um den Reifen auf der Straße zu halten.
  • Schweres Rad: Trifft auf eine Bodenwelle -> fliegt in die Luft -> Reifen verliert den Kontakt -> Sie stürzen ab.
  • Leichtes Rad: Trifft auf eine Bodenwelle -> bewegt sich schnell nach oben -> Federung drückt es wieder nach unten -> Reifen bleibt festsitzen.

Die Axialflusslösung: Da die Motoren von Yasa so unglaublich leicht sind (weniger als ein Bremsrotor), sind sie die einzige Technologie, die einen leistungsstarken Radantrieb ermöglicht.

• Vectoring: Mit vier unabhängigen Motoren können Sie das Drehmoment sofort vektorisieren. Der Computer kann die linken Räder nach hinten und die rechten Räder nach vorne drehen, um das Auto im Handumdrehen zu wenden (Tank Turn).

Die Zukunft: Mercedes AMG.EA

Mercedes hat Yasa nicht für ein Wissenschaftsprojekt gekauft. Sie haben es für die kommende AMG.EA-Plattform gekauft. Wir stehen vor einer Spaltung des Marktes für Elektrofahrzeuge.

• Economy Cars: Es werden weiterhin billige, schwere Radialflussmotoren verwendet.
• Leistung/Luxus: Wird auf Axial Flux umgestellt.

Wenn Sie sehen, wie die AMG-Elektro-Supersportwagen der nächsten Generation Panzerkurven mit vier unabhängigen Rädern fahren oder der Vision One-Eleven ohne Motorhaubenhöhe unterwegs ist, denken Sie daran: Das ist keine Zauberei. Es ist nur ein Pancake-Motor, der endlich herausgefunden hat, wie man cool bleibt.