Die Luft- und Raumfahrtindustrie verändert sich rasant. Mit dem Ziel, Emissionen zu senken, den Treibstoffverbrauch zu senken und Elektroflüge zu ermöglichen, konzentrieren sich die Hersteller nun auf die Herstellung ultraleichter, hocheffizienter Elektromotoren. Diese sind entscheidend für Fluggeräte wie eVTOLs, UAVs und Hybrid-Elektroflugzeuge.
Das Herzstück dieser Motoren bilden Stator- und Rotorpakete – wichtige magnetische und strukturelle Bauteile. Einst für Autos und Fabriken gefertigt, müssen sie heute für den Einsatz in Flugzeugen deutlich leichter, hitzebeständiger, magnetisch effizienter und robuster sein.
Für Hersteller von Stator- und Rotorpaketen ist dies nicht nur ein neuer Markt – es bedeutet auch, Design, Materialien und Funktionsweise zu überdenken.
Die besonderen Anforderungen an Motorkerne für die Luft- und Raumfahrt
Im Vergleich zu Industrie- oder Automobil-Elektromotoren unterliegen Motoren für die Luft- und Raumfahrt besonders strengen Anforderungen:
- Gewichtsbeschränkungen: Jedes eingesparte Gramm bedeutet verbesserte Reichweite, Hubkraft oder Treibstoffeffizienz.
Thermische Bedingungen: Motoren für die Luft- und Raumfahrt müssen unter extremen Bedingungen wie niedrigen Temperaturen und großen Höhen funktionieren. - Platzoptimierung: Die Integration in kompakte, hochoptimierte Flugzeugsysteme erfordert maßgeschneiderte Formen und flexible Bauformen.
- Hohes Leistungsgewicht: Motoren für die Luft- und Raumfahrt müssen maximale Leistung bei minimaler Masse liefern.
- Langzeitzuverlässigkeit: Ausfälle sind in flugkritischen Systemen inakzeptabel. Komponenten müssen ihre Leistung über Tausende von Zyklen hinweg aufrechterhalten.
Diese Einschränkungen setzen die Lieferanten von Motorkomponenten – insbesondere die Hersteller der Stator- und Rotorkerne – unter einen beispiellosen Druck, kontinuierlich Innovationen zu entwickeln.
Fortschritte in der Werkstofftechnik
Einer der wichtigsten Treiber für Gewichtsreduzierung ist die Auswahl fortschrittlicher Materialien. Während herkömmliche Elektrostähle in bodengestützten Anwendungen nach wie vor weit verbreitet sind, übersteigen die Anforderungen der Luft- und Raumfahrt ihre grundlegenden Möglichkeiten bei weitem.
Um die Standards der Luft- und Raumfahrt zu erfüllen, setzen Hersteller auf:
Hochwertiger Siliziumstahl
Elektrostahl mit hohem Siliziumgehalt (bis zu 6,5 %) reduziert Kernverluste, verbessert die magnetische Permeabilität und bietet eine hohe Leistung im Hochfrequenzbetrieb. Die Herausforderungen hinsichtlich Sprödigkeit und Verarbeitbarkeit erfordern jedoch spezielle Handhabungs- und Schneidverfahren.
Kobalt-Eisen-Legierungen
Kobaltbasierte Legierungen wie Hiperco 50 werden für ihre hohe magnetische Sättigung und mechanische Festigkeit geschätzt. Obwohl sie teuer sind, bieten sie unübertroffene Leistung in Hochgeschwindigkeits- und Hochtemperaturmotoren der Luft- und Raumfahrt.
Amorphe und nanokristalline Legierungen
Diese Werkstoffe bieten extrem niedrige Kernverluste, insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen – ideal für umrichtergespeiste Motoren in der Luft- und Raumfahrt. Ihr Einsatz beschränkt sich aufgrund der Kosten und der Fertigungskomplexität auf Forschung und Entwicklung sowie Nischenanwendungen.
Verbundträger und leichte Strukturelemente
Die Integration von Kohlefaserverbundwerkstoffen oder Aluminium in Luft- und Raumfahrtqualität in das Kerngehäuse oder die Trägerplatten reduziert das Gewicht bei gleichbleibender mechanischer Festigkeit.
Präzisionsfertigung für leichte Stapel
Die Umstellung auf leichte, leistungsstarke Luft- und Raumfahrtkomponenten erfordert auch eine Transformation der Fertigungstechniken. Präzision, Wiederholgenauigkeit und Fehlerkontrolle sind dabei von größter Bedeutung.
Lasergeschnittene Lamellen für die Luft- und Raumfahrt
Laserschneiden ermöglicht Herstellern die Herstellung dünner Lamellen (oft 0,1 mm oder weniger) mit:
- Engen Toleranzen (±0,01 mm)
- Reduzierter Gratbildung
- Hoher Designflexibilität
- Minimaler Verformung, unerlässlich für dünne und spröde Materialien wie siliziumreiche Stähle
Im Gegensatz zum herkömmlichen Stanzen unterstützt Laserschneiden Rapid Prototyping und die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen – entscheidende Vorteile in den Entwicklungszyklen der Luft- und Raumfahrt.
Fortschrittliche Stapeltechniken
Beim Stapeln geht es nicht nur darum, Lamellen aufeinanderzustapeln. Es beeinflusst den magnetischen Fluss, die mechanische Stabilität und die Wärmeleitung.
Zu den wichtigsten Innovationen im Stapeln gehören:
- Verriegelungsstapelung: Präzise Kerben ermöglichen die Verriegelung der Lamellen ohne Klebstoff.
- Geklebte Stapel: Die Verwendung von luftfahrttauglichen Klebstoffen sorgt für minimale Vibrationen und eine verbesserte Wärmeableitung.
- Schweißen und Nieten: WIG- oder Laserschweißen bietet robuste mechanische Festigkeit für Rotoren bei gleichzeitiger Wahrung der Kompaktheit.
- Automatisierte Stapelsysteme: Roboter reduzieren menschliche Fehler, verbessern die Ausrichtung und gewährleisten die Konsistenz jeder Einheit.
Einige Hersteller entwickeln sogar hybride Stapelsysteme, die geklebte, geschweißte und ineinandergreifende Schichten kombinieren, um die Leistung für spezifische Anforderungen der Luft- und Raumfahrt zu optimieren.
Simulation und Validierung digitaler Zwillinge
Die hohen Kosten und langen Validierungszyklen in der Luft- und Raumfahrt erfordern fortschrittliche Simulationsfunktionen. Hersteller von Stator- und Rotorpaketen nutzen heute digitale Zwillingstechnologie zur Simulation folgender Parameter:
- Elektromagnetisches Verhalten
- Wärmeverteilung
- Vibrations- und Spannungsverhalten
- Kernverlust und Sättigungsverhalten
Mithilfe von Finite-Elemente-Analyse (FEA) können Ingenieure die Blechgeometrie, die Luftspaltpräzision und die Wicklungsintegration optimieren, bevor physische Muster hergestellt werden. Dies verkürzt die Entwicklungszeit, verbessert die Genauigkeit und senkt die Kosten, was insbesondere bei Luft- und Raumfahrtprojekten mit engen Zertifizierungszeitplänen von entscheidender Bedeutung ist.
Erfüllung der Qualitäts- und Compliance-Standards der Luft- und Raumfahrt
Im Gegensatz zu kommerziellen oder industriellen Sektoren unterliegen Luft- und Raumfahrtprojekte strengen Vorschriften. Hersteller von Statoren und Rotorpaketen müssen folgende Anforderungen erfüllen:
AS9100D-Zertifizierung
Dieser Qualitätsmanagementstandard für die Luft- und Raumfahrt entspricht der ISO 9001, beinhaltet jedoch zusätzliche Anforderungen an Risikomanagement, Rückverfolgbarkeit und Dokumentation.
NADCAP-Akkreditierung
Herstellern, die Schweiß-, Wärmebehandlungs- und chemische Prozesse durchführen, weist die NADCAP-Zertifizierung die Einhaltung der luftfahrtspezifischen Prozesskontrollen nach.
Rückverfolgbarkeit und Dokumentation
Jede Komponente in Luft- und Raumfahrtmotoren muss rückverfolgbar sein – vom Rohelektrostahl oder der Kobaltlegierung bis zum fertigen Blechpaket. Digitale Aufzeichnungen, Chargenkontrollen und Prüfdaten sind in jeder Phase erforderlich.
Umwelt- und Zuverlässigkeitsprüfungen
Komponenten müssen folgende Prüfungen bestehen:
- Temperaturwechselprüfungen (zur Simulation von Höhenbedingungen)
- Salznebel- und Korrosionsbeständigkeit
- Vibrationsprüfungen (insbesondere für Rotorpakete in Hochgeschwindigkeits-Elektrostrahlantrieben)
- Validierung von Kernverlusten und Permeabilität unter Betriebsfrequenzen
Dieses Qualitätsversprechen erfordert von Herstellern oft Investitionen in spezielle Produktionslinien für die Luft- und Raumfahrt, Reinraummontagebereiche und eigene Materialprüflabore.
Gemeinsame Entwicklung mit OEMs aus der Luft- und Raumfahrt
Die Entwicklung von Motoren für die Luft- und Raumfahrt verläuft selten linear. Iteratives Design, Integrationsherausforderungen und Kompromisse zwischen Gewicht und Leistung erfordern eine enge Zusammenarbeit zwischen OEMs und Kernlieferanten.
Hersteller von Stator- und Rotorpaketen positionieren sich nun als Designpartner und bieten:
- Co-Engineering-Services für kundenspezifische Blechgeometrien
- Materialberatung basierend auf elektromagnetischen und thermischen Simulationen
- Rapid Prototyping durch Laserschneiden und modulares Stapeln
- Maßgeschneiderte Verpackungen für nicht standardmäßige Motorgehäusedesigns in der Luft- und Raumfahrt
Diese Kooperationen helfen Luft- und Raumfahrtunternehmen, die Grenzen von Axialfluss-, Doppelrotor- und Hybridstator-Motortopologien zu erweitern – insbesondere in aufstrebenden Sektoren wie eVTOL und Elektrohubschraubern.
Branchenführer
Mehrere fortschrittliche Hersteller machen Fortschritte im Bereich Stator- und Rotorpakete für die Luft- und Raumfahrt:
Gatorlamination
Gatorlamination ist bekannt für seine Expertise im Bereich ultradünner lasergeschnittener Bleche und liefert Rotor- und Statorpakete speziell für Elektroflugzeuge und Drohnen. Das Unternehmen verwendet 0,1 mm starke Bleche und geklebte Pakete, um eine hohe Leistungsdichte und geringe Kernverluste zu erzielen.
Zytech Dynamics
Mit dem Schwerpunkt auf Axialflussmotoren hat Zytech laminierte Rotorpakete aus Kobalt-Eisen-Legierungen und speziell geformte Statoren entwickelt, die für die Integration in kompakte Antriebseinheiten für die Luft- und Raumfahrt optimiert sind.
Lamcore Aerospace Division
Dieser Geschäftsbereich von Lamcore Industries ist auf NADCAP-zertifizierte Klebe- und Stapelprozesse spezialisiert und bietet Start-ups in der Luft- und Raumfahrt schnelle Design-Iterationen an.
Herausforderungen und Zukunftsaussichten
Trotz enormer Fortschritte bleiben für Hersteller im Bereich der Elektromotoren in der Luft- und Raumfahrt einige Herausforderungen bestehen:
- Kostenbarrieren: Moderne Werkstoffe wie Kobaltlegierungen und amorphe Metalle sind deutlich teurer als herkömmliche Stähle.
- Skalierbarkeit der Fertigung: Während die Produktion kleiner Stückzahlen mit hoher Leistung machbar ist, erfordert die Skalierung zur Deckung des Bedarfs an kommerziellen Elektroflugzeugen weitere Investitionen.
- Designvalidierungszyklen: Die Entwicklung in der Luft- und Raumfahrt dauert Jahre, und Stator-/Rotor-Designs müssen über mehrjährige Zeiträume hinweg tragfähig bleiben.
- Branchenübergreifende Kompatibilität: Technologien für die Luft- und Raumfahrt könnten auch in Hochleistungsanwendungen in der Automobil-, Schifffahrts- und Verteidigungsindustrie relevant sein, erfordern aber Anpassungen.
Die Zukunft der Luft- und Raumfahrt wird maßgeblich von der Fähigkeit abhängen, hocheffiziente und leichte Motorkerne in großem Maßstab in Serie zu produzieren – ohne Kompromisse bei Qualität oder Leistung.
Abschließende Gedanken
Während die Luft- und Raumfahrtindustrie in eine elektrifizierte Zukunft aufbricht, leisten Hersteller von Stator- und Rotorpaketen einen wichtigen Beitrag dazu. Ihre Innovationen in den Bereichen Materialien, Fertigung und Simulation prägen die Motoren, die den Himmel von morgen antreiben werden.
