Elektrische Effizienz für die Lüfte

Stator- und Rotorblechpakete von SWD für Elektromotoren sorgen für präzise und sichere Prozesse in elektrischen Luftfahrtsystemen. 

Elektrische Antriebssysteme treiben die nächste Generation von Drohnen und Luftfahrtsystemen voran. Doch erst auf Komponentenebene – und insbesondere in deren industrieller Fertigung – entscheidet sich, ob Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit den hohen Anforderungen gerecht werden. Präzise gefertigte und prozesssicher paketierte Stator- und Rotorblechpakete wie die von SWD spielen dabei eine zentrale Rolle: Sie beeinflussen maßgeblich Reichweite, Gewicht und Betriebssicherheit moderner Fluggeräte und bestimmen zugleich, ob sich die geforderte Performance reproduzierbar in Serie umsetzen lässt. 

Elektrische Antriebe bilden die Grundlage nahezu aller aktuellen Entwicklungen in der unbemannten Luftfahrt sowie bei neuen Konzepten wie eVTOL-Systemen oder elektrisch betriebenen Kleinflugzeugen. Sie sind der zentrale Baustein, um neue Mobilitätskonzepte überhaupt realisierbar zu machen und bestimmen maßgeblich die Leistungsfähigkeit der Systeme. 

„Das Verhältnis von Leistung zu Gewicht und die Effizienz sind in der Luftfahrt noch entscheidender als in anderen Anwendungen. Denn letztlich geht es dabei um Reichweite und Flugdauer“, erklärt Thomas Stäuble, CEO der SWD AG, eines Spezialisten für Stator- und Rotorblechpakete sowie deren industrielle Fertigung. Diese Anforderungen wirken sich direkt auf die Auslegung sämtlicher Komponenten im Antriebsstrang aus – insbesondere auf die elektromagnetischen Kernkomponenten.

Zentrale Stellgrößen 

In der elektrischen Luftfahrt zählt jedes Gramm. Gleichzeitig müssen Elektromotoren maximale Leistung liefern, ohne unnötige Verluste zu erzeugen. Stator- und Rotorblechpakete sind dabei ein entscheidender Faktor. Sie beeinflussen nicht nur die elektromagnetischen Eigenschaften, sondern auch die thermische Stabilität und mechanische Integrität des Motors. 

„Eine hohe Effizienz reduziert die Verluste und damit die Erwärmung im System. Das ermöglicht höhere Leistungsdichten“, so Stäuble. So tragen laut Stäuble etwa präzise gefertigte Blechpakete mit minimalen Luftspalten maßgeblich dazu bei, diese Effizienz zu erreichen. Gleichzeitig sorgen optimierte Geometrien und innovative Materialien dafür, dass elektromagnetische Verluste weiter minimiert werden. 

Verluste minimieren – Performance maximieren 

In Elektromotoren treten unterschiedliche Verlustarten auf, darunter Eisen-, Kupfer- und mechanische Verluste. Die Materialwahl und die Qualität der Blechpakete bestimmen daher, wie stark diese Verluste ausfallen. 

„Neue Materialien und durchdachte Paketierungskonzepte sind relevante Stellhebel, um Verluste zu reduzieren und gleichzeitig die industrielle Fertigbarkeit sicherzustellen“, erläutert Stäuble. Verfahren wie das vollflächige Verkleben oder Backlacktechnologien ermöglichen in solchen Fällen nicht nur eine stabile mechanische Verbindung der Lamellen, sondern verbessern auch die Wärmeableitung und die elektrische Isolation. 

Zahlreiche Drohnenanwendungen arbeiten zudem mit sehr hohen Drehzahlen. Auch daraus ergeben sich besondere Anforderungen an die eingesetzten Materialien und Fertigungsprozesse. Dünne Bleche, spezielle Legierungen und hochpräzise Fertigungstechnologien sind notwendig, um mechanische Belastungen zu beherrschen und gleichzeitig die Effizienz zu maximieren. „Die Kombination aus Material, Geometrie und Fertigungspräzision entscheidet darüber, ob ein Motor die geforderte Leistung bei hohen Drehzahlen zuverlässig liefern kann“, betont Stäuble. 

Neben der Leistungsfähigkeit ist zudem das Gewicht einer der kritischsten Faktoren in der Luftfahrt. Jeder zusätzliche Grammanteil wirkt sich direkt auf die Reichweite und den Energieverbrauch aus. „Benötigt wird daher ein Design, das mit möglichst wenigen Bauteilen auskommt“, erklärt Stäuble. Durch segmentierte Bauweisen und funktional integrierte Blechpakete etwa lassen sich zusätzliche Komponenten wie Befestigungselemente reduzieren. Gleichzeitig ermöglichen moderne Paketierungstechnologien eine hohe strukturelle Stabilität bei minimalem Materialeinsatz.

Betriebssicher und zukunftsfähig 

Die im Betrieb entstehenden Verluste führen zwangsläufig zu Wärme, die effizient abgeführt werden muss. Eine unzureichende Kühlung kann dann die Leistungsfähigkeit einschränken und die Lebensdauer des Motors reduzieren. 

„Die Verluste erzeugen Wärme, für deren gezielte Abführung die Blechpakete eine wichtige Rolle bei der Wärmeleitung spielen“, so Stäubles Hinweis. Mit vollflächigen Verklebungen und optimierten Materialkombinationen lässt sich die thermische Stabilität dafür verbessern. 

Weiterhin sind enge Fertigungstoleranzen insbesondere bei Hochdrehzahlantrieben essenziell. Schon geringe Abweichungen können zu erhöhten Vibrationen, Effizienzverlusten oder verkürzten Lebensdauern führen. „Bei kleinen Luftspalten ist höchste Präzision erforderlich, um die Leistungsdichte zu maximieren und gleichzeitig Vibrationen zu minimieren“, erläutert Stäuble. Dies erfordert nicht nur präzise Werkzeuge, sondern auch stabile und reproduzierbare Fertigungsprozesse. 

Serienfertigung und Prozesssicherheit 

Mit der zunehmenden Industrialisierung von Drohnen- und eVTOL-Anwendungen rückt zudem die Serienfertigung der Komponenten in den Fokus. Diese muss gleichbleibend hohe Qualitätsstandards sicherstellen. 

„Der Fertigungsprozess muss folglich so gestaltet sein, dass am Ende immer dieselbe Komponente in gleichbleibender Qualität entsteht“, betont Stäuble. Hier ermöglichen Digitale Zwillinge, automatisierte Prüfverfahren und kontinuierliche Prozessüberwachung eine hohe Reproduzierbarkeit und Transparenz. Die SWD AG beispielsweise setzt dafür auf hochautomatisierte Fertigungslösungen, die bereits in der Prototypenphase auf Serienproduktion ausgelegt sind. Eigene Maschinenkonzepte und digitalisierte Prüfprozesse bilden die Grundlage für stabile, skalierbare Produktionsprozesse. 

Vor diesem Hintergrund gewinnen auch neue Motorenkonzepte zunehmend an Bedeutung. Ein Beispiel hierfür ist der Axialflussmotor, der insbesondere in der Luftfahrt verstärkt in den Fokus rückt. Durch segmentierte Blechpakete und neue Materialien lassen sich hier erhebliche Effizienz- und Leistungssteigerungen erzielen. „Mit innovativen Segmentlösungen und neuen Wickelverfahren eröffnen sich auch für die elektrische Luftfahrt völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich Funktion und Integration“, erklärt Stäuble. Dies ermöglicht nicht nur leistungsfähigere Antriebe, sondern auch kompaktere und leichtere Bauweisen.

Frühe Zusammenarbeit als Erfolgsfaktor 

Ein entscheidender Hebel für die Leistungsfähigkeit moderner Elektromotoren liegt außerdem in der engen Zusammenarbeit zwischen Entwicklung und Fertigung. „Viele Potenziale bleiben ungenutzt, wenn Entwicklung und Produktion getrennt voneinander arbeiten“, so Stäuble. 

Gerade im Aviatik-Umfeld mit seinen besonderen Anforderungen an Reproduzierbarkeit, Gewicht und Effizienz müssen Designentscheidungen von Beginn an unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten bewertet werden. „Aspekte wie Materialverhalten, Stanzbarkeit, Paketierbarkeit oder thermische Eigenschaften lassen sich daher nicht isoliert betrachten, sondern müssen integraler Bestandteil der Entwicklung sein“, sagt Stäuble. 

Durch eine frühzeitige Integration von Fertigungsexpertise können Geometrien gezielt so ausgelegt werden, dass sie nicht nur maximale Performance ermöglichen, sondern sich auch stabil und wirtschaftlich in Serie produzieren lassen. Dazu gehören beispielsweise segmentierte Designs, optimierte Toleranzkonzepte oder die gezielte Auswahl geeigneter Paketierverfahren. 

Spezialisten wie SWD bringen dabei ihre Erfahrungen und Best Practices in der industriellen Umsetzung komplexer Blechpaketlösungen ein. So begleiten sie Projekte von der frühen Konzeptphase bis zur skalierbaren Serienfertigung mit dem Ziel, technische Machbarkeit und industrielle Umsetzbarkeit von Anfang an bestmöglich in Einklang zu bringen. 

Autor: Patrick Schulze, Journalist für Wordfinder 

Bilder: SWD AG