RWTH-Studie: Chinesische E-Motoren unterscheiden sich vor allem im Detail

Forscher der RWTH Aachen haben 115 elektrische Traktionsmotoren aus 80 Fahrzeugen vom chinesischen Markt ausgewertet und mit älteren Daten zu europäischen und US-amerikanischen Antrieben verglichen. Die Fahrzeuge stammen aus den Modelljahren 2019 bis 2025. Die Grundarchitektur der Antriebe ähnelt sich in allen drei Märkten. Unterschiede zeigen sich bei Materialien und Detailauslegung, am deutlichsten beim Gehäuse: Magnesium fand das Team ausschließlich in Antrieben chinesischer Hersteller.

Die Arbeit ist unter dem Titel „Review and Benchmarking of Electric Motor Product Design and Manufacturing Technologies from the Chinese Market“ am 6. November im Fachjournal Energies erschienen. Die technischen Daten stammen aus der Benchmarking-Datenbank DARWIN der Movo Autodatas Technology GmbH, ergänzt um Literatur, Patente und eigene Teardowns am Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM). Ein Prüfstandsvergleich, bei dem alle Motoren mit denselben Lastprofilen vermessen wurden, ist die Studie nicht und sie liefert entsprechend auch keine Wirkungsgrad- oder Verbrauchsvergleiche zwischen den Märkten.

Untersucht wurden batterieelektrische Autos (BEV), Fahrzeuge mit Range Extender (REEV) und Plug-in-Hybride (PHEV). Hybride, deren Antriebseinheit sich Gehäuseteile mit dem Verbrenner teilt, schloss das Team aus. Berücksichtigt wurden nur eigenständige Einheiten mit Rotor, Stator, Leistungselektronik und Untersetzungsgetriebe. 41 der 80 Fahrzeuge haben Motoren an beiden Achsen, 19 Frontantrieb, 20 Heckantrieb. Bei sechs Allradfahrzeugen stand nur einer der beiden Motoren für die Analyse zur Verfügung.

Bei der Untersuchung handelt es sich um eine Stichprobe. Sie ist eine systematische Bestandsaufnahme ohne statistisch repräsentative Auswahl. Die Referenzdaten für Europa und die USA stammen aus einem früheren RWTH-Benchmarking mit 48 Motoren aus 31 Fahrzeugen der Modelljahre 2018 bis 2023. Gleiche Fahrzeugklassen, Baujahre oder Leistungsstufen stehen sich also nicht paarweise gegenüber. Trends lassen sich ablesen, Urteile wie „chinesische Motoren sind effizienter“ sind auf so einer Basis aber nicht möglich.

Magnesium statt Aluminium

Während europäische und US-Antriebe weiterhin überwiegend Aluminiumgehäuse verwenden, setzen einige chinesische Hersteller Magnesiumgehäuse ein. Gegenüber Aluminium sollen sich damit rund 20 bis 30 Prozent Gehäusegewicht sparen lassen. Lange bremsten Probleme beim Gießen und mangelnde Korrosionsbeständigkeit den Einsatz. Neue Legierungen, vor allem mit Aluminium (Mg-Al) oder seltenen Erden (Mg-RE) sowie Semi-Solid-Guss und präzisere Prozessführung haben laut den Autoren Korrosionsschutz, Maßhaltigkeit und Fertigungskonsistenz verbessert. Ob sich der teurere Werkstoff auf Fahrzeugebene rechnet, kann die Studie nicht beantworten.

Die Verwendung von Magnesiumlegierungen hat indes eine geopolitische Seite: China stellt laut der in der Studie zitierten Quelle mehr als 80 Prozent der weltweiten Primärmagnesiumproduktion. Die Autoren sehen darin ein Risiko für Versorgungssicherheit und Preisstabilität. Die chinesische Dominanz beruht zudem auf dem Pidgeon-Verfahren, das sie als energie-, wasser-, arbeits- und abfallintensiv beschreiben. Die EU führt Magnesium ebenso wie Seltene Erden für Permanentmagnete im Critical Raw Materials Act als strategisch relevanten Rohstoff.

Leichtere Statoren, dünnere Bleche

Im Mittel wiegt ein Stator der Stichprobe knapp 20 Kilogramm. Den schwersten mit knapp 36 Kilogramm fand das Team im hinteren Motor des Nio ET7, den leichtesten mit 10,24 Kilogramm im Frontmotor des BYD Seagull. Über die Zeit sinkt das Gewicht leicht: von durchschnittlich 20,65 Kilogramm in den Modelljahren 2020 bis 2022 auf 19,45 Kilogramm 2024 und 2025. In der älteren, vorwiegend europäisch-amerikanischen Stichprobe lagen Außen- und Innendurchmesser sowie aktive Länge der Statorblechpakete um 6,65, 4,7 beziehungsweise 7,3 Prozent höher, die aktuellen Blechpakete sind dafür im Schnitt etwa 9,2 Prozent leichter. Fahrzeugklasse, Leistung und Baujahr dürften hier mit hineinspielen.

Bei den Elektroblechen geht der Trend marktübergreifend zu dünnerem Material. Im Mittel messen die Bleche 0,27 Millimeter, für 2024 und 2025 sehen die Autoren 0,25 Millimeter als wahrscheinlichen Standard. Die ältere Vergleichsstudie lag bei 0,30 Millimetern. Dünnere Bleche senken die frequenzabhängigen Eisenverluste, verlangen aber mehr Sorgfalt bei Fertigung und Handhabung. Die Abnahme der Dicke spiegelt also den technischen Fortschritt bei der Fertigung.

Magnete dominieren, Integration überall

95 der 115 Motoren sind permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM), 20 Asynchronmotoren. Elektrisch erregte Synchronmaschinen, die ohne Seltene Erden auskommen, fehlen ganz. Die Autoren erklären das neben der Stichprobenzusammensetzung mit der Versorgungslage: Wer wie China sicheren Zugang zu Permanentmagneten hat, braucht nicht auf magnetfreie Rotoren auszuweichen. China dominiert die gesamte Kette der Verarbeitung Seltener Erden, von Bergbau über Raffination bis zur Magnetproduktion. PMSM bieten hohe Drehmomentdichte und gute Effizienz im unteren und mittleren Drehzahlbereich, brauchen bei hohen Drehzahlen aber verlustbehaftete Feldschwächung. Asynchronmaschinen kommen ohne Magnete aus, verlieren dafür Energie durch die induzierten Rotorströme.

Bei der Integration von Motor, Getriebe und Leistungselektronik sieht die Studie keinen grundlegenden Unterschied zwischen den Märkten. Bis zum Modelljahr 2021 fanden sich häufiger Einheiten mit mehreren separaten Gehäuseteilen, ab 2022 dominieren integrierte Antriebe. Eine Bauform mit parallel angeordnetem Motor und Abtriebswelle macht 43 Prozent der Konfigurationen aus. Eine zitierte externe Prognose erwartet für China bis 2037 Anteile von 66 Prozent für „3-in-1“- und 26 Prozent für „X-in-1“-Antriebe. Einen aktuellen 3-in-1-Antrieb mit deutlich höherer Drehzahl stellte gerade ZF mit dem High Revolution Drive vor, der zudem mit nur der Hälfte der Magnetmasse seines Referenzantriebs auskommen soll. Zahlreiche ähnliche Antriebe werden auch aus chinesischer Produktion erwartet.

Direkte Kühlung der Statorwicklungen mit Öl oder nichtleitendem Kühlmittel, die höhere Dauerleistung begünstigen kann, hatte bereits das ältere Benchmarking vor allem bei Fahrzeugen asiatischer Herkunft gefunden; Volkswagen nutzt sie inzwischen in Form einer kombinierten Öl/Wasserkühlung etwa in seinem Elektroantrieb APP550.