Elektromotoren sind überall. Im Akkuschrauber, im Backofenventilator und im Fensterheber beim Auto – je nach Einsatzgebiet unterscheiden sich die kleinen Maschinchen aber enorm und haben mit unterschiedlichen Herausforderungen zu kämpfen. Das gilt freilich auch, wenn es um den Antrieb des Elektroautos geht, erklärt E-Maschinen-Forscher David Drexler im zweiten Teil des Moove Podcast mit dem Schwerpunkt Elektromotoren. Den ersten Teil gibt es HIER.
Gerade beim Thema Kühlung seien die Autobauer schnell von der einfachen luftgekühlten Lösung zu komplexen Wassermänteln und Ölkühlungen gewechselt, erklärt Drexler. Dadurch ließe sich nicht nur mehr aus dem Aggregat herausholen, sondern auch Material einsparen – und damit Kosten. Denn auch wenn die Traktionsbatterie bei weitem das teuerste Bauteil im Elektroauto ist, kommen auch im E-Motor viele teure Materialien wie Kupfer oder Magnete zum Einsatz.
Es braucht Resilienz auf allen Ebenen
Steigen hier die Preise oder die Lieferverfügbarkeit wird plötzlich politisch motiviert beschränkt, droht der Stillstand der Fahrzeugproduktion – und spätestens die aktuellen Diskussionen um die niedrige Auslastung des VW-Werks in Hannover zeigen, was passiert, wenn nicht genug produziert wird.
Wenn so etwas durch Ausfuhrkontrollen seitens China gezielt zur Destabilisierung oder Schwächung der Industrie genutzt werden kann, ist das nicht nur gefährlich für das einzelne Unternehmen, sondern für den gesamten Industriestandort. Die Ergebnisse solcher Absicherungen sind längst in Serie, wie David Drexler im Podcast beschreibt und dabei auf Renault und BMW verweist, die etwa auf magnetfreie fremderregte Synchronmaschinen setzen – sich damit allerdings mehr Komplexität ans Bein binden.
"So schlecht wie möglich, so gut wie nötig"
Diese Form der Resilienz allein wird daher kaum ausreichen, um im internationalen Wettbewerb zu bestehen, denn die Vorteile, die China durch die Kontrolle der Rohstofflieferketten aufgebaut hat, sind nicht das einzige Pfund. Nach Einschätzung des Experten neigten die deutschen Autobauer bei ihren Konstruktionen zu überbordendem Perfektionismus. Das Credo bei der Entwicklung der Konkurrenz in China laute häufiger, "So schlecht wie möglich und so gut wie nötig". Was sich im ersten Moment abwertend liest, klingt im Podcast-Gespräch viel mehr anerkennend. Denn der Pragmatismus in Asien sorgt für genau die Effizienz, die es im Hochlohn- und Hochenergiepreis Deutschland braucht.
Mit der bloßen Simplifizierung ist es also nicht getan. Innovationen müssen her – und genau darin sieht er eine große Chance für die Europäer und speziell die Deutschen. "Unsere E-Motoren sind extrem gut!", erklärt Drexler, man müsse nur besser darin werden, die Innovation schneller in Serie zu bringen.
Die KI-unterstützte Zusammenfassung des Gesprächs:
David Drexler: Dadurch, dass die Struktur beider Motoren so unterschiedlich ist, gibt es keinen direkten Transfer. Aber einen indirekten gibt es auf jeden Fall. Beim E-Motor haben wir, ähnlich wie beim Verbrenner, Kühlkanäle. Typischerweise liegt um den Stator, also unser zylindrisches Bauteil, ein Wassermantel, um Wärme über das Blechpaket abzuführen. Das Problem ist der lange Wärmeleitpfad: aus der Wicklung in das Blechpaket, von dort ins Gehäuse und schließlich in den Kühlmantel. Das sind viele Schnittstellen und Bauteile mit teilweise geringer Wärmeleitfähigkeit. Während ganz frühe Motoren wie im Renault Zoe noch luftgekühlt waren – was für den Automobilbereich schnell zu leistungsschwach war –, setzen wir heute meist auf Wassermäntel, oft kombiniert mit einer direkten Ölkühlung.
Drexler: Der große Unterschied ist, dass wir bei der Ölkühlung direkten Kontakt zwischen den stromführenden Wicklungskomponenten und dem Öl haben. Beim Wassermantel sind das zwei separate Systeme. Wasser hat zwar eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherfähigkeit, leitet aber eben auch Strom. Im Stator-Rotor-Raum brauchen wir ein Medium, das keinen Kurzschluss verursacht, falls es Schadstellen an der Isolation gibt. Deshalb nutzen wir ein dielektrisches Medium wie Getriebeöl. Das ermöglicht zudem Synergien: Oft teilen sich Getriebe und Motor einen Kreislauf, wodurch wir Bauteile wie eine separate Pumpe sparen können.
Drexler: Rein von der Formel her ja, sofern die Leistung konstant bleibt. Man könnte dann den Strom runterregeln und Verluste sparen. In der Realität würde man dadurch aber Leistungspotenziale und Downsizing-Effekte liegen lassen. Man kann den Motor bei 800 Volt nämlich auch kleiner bauen oder bei gleicher Größe deutlich mehr Leistung herausholen. Ein krasser Gamechanger für die reine Motoreneffizienz ist die 800-Volt-Applikation per se also nicht. Wenn ich zwei baugleiche Motoren mit 400 und 800 Volt auf den Tisch legen würde, sähe man den Unterschied in der Effizienz nicht sofort.
Drexler: Um das exakt zu quantifizieren, müsste man aufwendige Prüfstandsversuche fahren und die Drehmoment-Drehzahl-Kennfelder übereinanderlegen. Aber für eine grobe Klassifizierung kann man festhalten: Die permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM) steht bei der Effizienz an erster Stelle. Danach folgt die fremderregte Synchronmaschine und schließlich die Induktions- beziehungsweise Asynchronmaschine.
Drexler: Bei baugleichen Maschinen sieht man eine klare Trennlinie im Diagramm, die von links unten nach rechts oben läuft. Im niedrigen Drehzahlbereich hat die PSM deutliche Vorteile. Je höher die Drehzahl jedoch steigt, desto stärker schlägt die Feldschwächung bei der PSM zu Buche. In diesen hohen Bereichen kommen die Vorteile der Regelbarkeit der fremderregten Maschine zum Tragen, wodurch diese dort effizienter wird.
Drexler: Ja, man sieht deutliche Unterschiede bei den Materialien. Bei Magneten gibt es eine starke Rohstoffabhängigkeit von China durch Ausfuhrbeschränkungen für seltene Erden. Das haben wir bei Prototypenprojekten selbst gemerkt. Da waren Bauteile dann plötzlich nicht mehr lieferbar. Renault und BMW haben deshalb frühzeitig auf fremderregte Hauptantriebe gesetzt, um ihre Lieferketten resilienter zu machen. Auch beim Kupfer gibt es Bewegung durch den starken Preisanstieg: Bei Hilfsantrieben wie Asynchronmaschinen, die nur kurzzeitig als Boost laufen, wird darüber nachgedacht, die Kupferwicklung durch Alu zu substituieren, um Kosten zu sparen. Das hängt aber vom Use Case ab, da man die schlechtere elektrische und thermische Leitfähigkeit ausgleichen muss.
Drexler: Ja, insbesondere beim Thema Kühlung und seltene Erden. Ein Teardown einer BYD-Einheit durch Sandy Munro in den USA zeigte ein sehr einfaches System mit reinem Wassermantel und ohne Ölkühlung. Das ist im asiatischen Markt eigentlich unüblich. Doch dort reicht die Materialgüte der seltenen Erden aus, um zu so einer simplen Einheit zu greifen. Weil die Rohstoffe vor Ort günstiger sind, rechnet sich dieses Design dort trotzdem, während der Export nach Europa die Kosten sprengen würde. China dominiert zudem den Markt für hochfestes Elektroblech, was direkten Einfluss darauf hat, wie drehzahlfest man einen Rotor auslegen kann.
Drexler: Klassische Hairpins sind U-förmige, haarnadelartige Kupferstäbe, die in den Stator gesteckt, verschränkt und verschweißt werden. Bei konventionellen Hairpins ist das abisolierte Ende für die Schweißung etwa 10 bis 12 Millimeter lang. Dieser überstehende Wickelkopf trägt aber nicht zur Drehmomentgenerierung bei – das tut nur die Aktivlänge im Blechpaket. Toyota hat diesen Überstand beim sogenannten X-Pin komplett gekappt. Die Enden werden parallel per Punktschweißung verbunden. Das spart rund 10 Millimeter Bauraum und etwa 200 Gramm Kupfer pro Stator. Bei 150.000 Einheiten im Jahr ist das eine enorme Material- und Kostenreduktion.
Drexler: Die Prozesskomplexität beim Schränken und Schweißen ist massiv höher, und es gibt kaum Spielraum für Geometrieabweichungen. Da die verschweißten Enden beim X-Pin viel näher beieinanderliegen, verkürzen sich die Luft- und Kriechstrecken. Durch die hohen Potenzialunterschiede im Betrieb von bis zu 2 Kilovolt drohen elektrische Durchschläge. Deshalb benötigt man beim X-Pin zwingend eine aufwendige Sekundärisolation, bei der die verschweißten Stellen nachträglich wieder isoliert werden.
Drexler: Im E-Motorenbau müssen wir uns überhaupt nicht verstecken, das können wir in Europa und Deutschland extrem gut. Was uns jedoch fehlt, ist das Verständnis für das richtige Anforderungsmaß. In China gilt oft das Mantra: "so schlecht wie möglich, so gut wie nötig". Ein Beispiel: Bei chinesischen Motoren ist die Busbar oft eine einfache Verschaltschiene, die per Hand angeschweißt und durch das Tauchen in ein Pulverbecken isoliert wird. Bei uns ist es eine hochkomplexe, umspritzte Kupferschiene, die vollautomatisiert verschweißt wird – optisch und prozessual ein ganz anderes Level, aber eben auch teurer. Zudem fehlt uns die Geschwindigkeit. Während VW die MEB-Plattform seit 2019 im Wesentlichen nur einem kleinen Facelift unterzogen hat, hat NIO im selben Zeitraum drei Plattformen komplett überarbeitet und neue Innovationen in Serie gebracht.
Drexler: Der Großteil des Marktes hat sich auf Flachdrahtstatoren eingependelt. Wenn alle das Gleiche tun, ist das der klassische Nährboden für disruptive Konzepte. Der Axialflussmotor ist ein faszinierendes Konzept, wird aber wegen seiner hohen Komplexität in der Industrialisierung vorerst den performanten Segmenten vorbehalten bleiben. Das Doppelrotorkonzept von Deep Drive ist ebenfalls extrem spannend. Weil sich der Rotor mit dem Magnetfeld mitdreht und der magnetische Rückschluss im Rotor stattfindet, spart man sich die Ummagnetisierungsverluste im Statorjoch. Das erhöht das Drehmoment und senkt den Energiebedarf. Aber die Struktur ist komplex: Man braucht mehr Magnetmasse, die Kühlung ist extrem schwierig, und man muss zwei Luftspalte exakt einhalten.
Drexler: Ich beschäftige mich in meiner Dissertation mit Litzendrähten, also feinen, verdrillten Runddrähten zur Stromleitung in der Statorwicklung. Der Motor ist eine der ersten Serienanwendungen im Automotive-Bereich mit einer solchen Litzenwicklung. Bei hohen Frequenzen und Drehzahlen treten in massiven Leitern wie Hairpins starke Wirbelstromverluste auf – der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt drängen den Strom an den Rand des Leiters, wodurch quasi ein ungenutztes Loch in der Mitte entsteht. Die feinen Drähte der Litze minimieren diese Effekte, und das Verdrillen – wie bei einem Stahlseil einer Berggondel – hebt die Magnetfeldeinflüsse der Nachbardrähte auf. Das macht den Motor bei hohen Drehzahlen extrem effizient, auch wenn im niedrigen Drehzahlbereich der geringere Füllfaktor und der höhere Gleichstromwiderstand Nachteile mit sich bringen.
