Wertschöpfungspotenziale von E-Motoren für den Automobilbereich in Baden-Württemberg - Themenpapier Cluster Elektromobilität Süd-West
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Themenpapier Cluster Elektromobilität Süd-West Wertschöpfungspotenziale von E-Motoren für den Automobilbereich in Baden-Württemberg
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ............................................................................................................................................................................. 4 4. Wertschöpfungspotenziale elektrischer Antriebsmotoren im automobilen Sektor in Baden-Württemberg ...... 60
Management Summary ................................................................................................................................................... 6 4.1. Herstellerlandschaft von Antriebsmotoren und (Sub-)Komponenten in Baden-Württemberg ............................... 61
4.1.1. OEMs und Tier-1-Unternehmen in Baden-Württemberg ....................................................................... 64
1. Ausgangslage und Zielsetzung .............................................................................................................................. 10 4.1.2. Tier-2 und Sublieferanten in Baden-Württemberg ................................................................................ 66
4.1.3. Hersteller- und Kompetenzlandkarte Baden-Württemberg ................ .................................................. 67
2. E-Motor-Technologien im elektrifizierten Automobil ........................................................................................... 12 4.2. Wertschöpfungspotenziale und Beschäftigungseffekte bei der Herstellung
2.1. Stand der Technik ............................................................................................................................................ 13 elektrischer Antriebsmotoren in Baden-Württemberg ..................................................................................... 68
2.1.1. Elektrische Maschinen ........................................................................................................................ 13 4.2.1. Wertschöpfungspotenzial in Baden-Württemberg ............................................................................... 69
2.1.2. Betrachtete Anwendungsgebiete im Rahmen dieses Themenpapiers .................................................. 19 4.2.2. Veränderung der Wertschöpfung durch Trends im Bereich der E-Motoren- und Produktionstechnologie 73
2.1.3. Schnittstellenkomponenten ................................................................................................................ 23 4.2.3. Aktuelle und zukünftige Beschäftigungssituation in Baden-Württemberg ............................................ 77
2.2. Produktionsverfahren E-Motoren .................................................................................................................... 25 .
2.2.1. Blechpaket ......................................................................................................................................... 26 5. Definition einer Standardlieferkette für elektrische Antriebsmotoren in Automobilanwendungen und
2.2.2. Statorproduktion ................................................................................................................................. 26 Implikationen für die Wertschöpfung in Baden-Württemberg ............................................................................. 80
2.2.3. Wellenproduktion ............................................................................................................................... 28 5.1. Standardlieferkette und Produktionsnetzwerk ................................................................................................. 81
2.2.4. Rotorproduktion .................................................................................................................................. 29 5.1.1. Weltweite Produktionsnetzwerke von Traktionsmotoren und deren Subkomponenten im Überblick ... 81
2.2.5. Gehäuseproduktion ............................................................................................................................ 30 5.1.2. Definition eines Standardlieferketten-Szenarios für elektrische Antriebsmotoren ................................ 90
2.2.6. Endmontage ....................................................................................................................................... 31 5.1.3. Bewertung des Standorts Deutschland bzw. Baden-Württemberg innerhalb des
2.3. Technologietrends von Traktionsmotoren und deren Subkomponenten ........................................................... 32 globalen Produktionsnetzwerks .......................................................................................................... 92
2.3.1. Trendanalyse Traktionsmotoren ........................................................................................................... 32 5.2. Wertschöpfungspotenziale für Baden-Württemberg ........................................................................................ 93
2.3.2. Implikationen für E-Motoren und Subkomponenten ............................................................................ 36 5.2.1. Einordnung der Technologiekompetenz und der Marktposition des Standorts Baden-Württemberg ..... 94
2.4. E-Motoren in Nutzfahrzeugen ........................................................................................................................ 37
2.4.1. Technologiebewertung E-Motoren in Nutzfahrzeugen ......................................................................... 37 6. Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen ............................................................................................... 100
2.4.2. Ableitung von Synergieeffekten zwischen den Marktsegmenten ........................................................ 38 6.1. Zusammenfassung der Ergebnisse des Themenpapiers .................................................................................. 100
6.2. Handlungsempfehlungen und Potenziale durch E-Motoren für das Land Baden-Württemberg ......................... 102
3. Weltweiter Markt für E-Motoren in Automobilanwendungen bis 2030 ............................................................. 40
3.1. Bedarfe und Marktentwicklungen im automobilen Sektor ............................................................................... 41 Literaturverzeichnis ......................................................................................................................................................... 106
3.1.1. Prognose der globalen Fahrzeugneuzulassungen bis 2030 .................................................................. 41 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................................................... 110
3.1.2. E-Motoren-Bedarfe nach Antriebstopologie und Ausstattungsvariante .............................................. 47 Tabellenverzeichnis .......................................................................................................................................................... 112
3.2. Marktpotenziale für E-Motoren im elektrifizierten Antriebsstrang .................................................................. 52 Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................................................................... 112
3.2.1. Kostenbewertung der relevanten Traktionsmotortechnologien ....................................................... ..... 52
3.2.2. Globale Marktpotenziale der relevanten E-Motoren ............................................................................ 56
3.2.3. Wertschöpfungsanteile im Rahmen der globalen Marktpotenziale ...................................................... 58
2 3
Im aktuellen Transformationsprozess der Automobilbranche Daher hat der Cluster Elektromobilität Süd-West eine Analy-
ist neben der Digitalisierung der Wechsel zu elektrischen se der Wertschöpfungspotenziale von E-Motoren für den
Antrieben ein entscheidender Erfolgsfaktor. Die Elektromo- Automobilbereich in Baden-Württemberg in Auftrag gege-
bilität ist zukünftig der größte Hebel, um die gesetzten ben. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den Wertschöp-
Klimaschutzziele im Verkehrssektor zu erreichen und dem fungspotenzialen entlang der Herstellungskette. Ziel ist es,
Anspruch einer umweltfreundlichen Mobilität bis zum Jahr Erfolgsfaktoren dafür aufzuzeigen, wie bei den zentralen
2030 gerecht zu werden. Elektromobilität hat dabei vielfälti- Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs eine ähnlich
ge Ausprägungsformen – vom batterieelektrischen Fahr- starke Marktstellung wie beim Verbrennungsmotor aufge-
zeug über Hybridkonzepte bis hin zu Brennstoffzellenanwen- baut werden kann. Das ist notwendig, um weiterhin als Au-
dungen. tomobilcluster wettbewerbsfähig zu sein und Wohlstand
und Beschäftigung in der Region zu sichern.
Diese im Grundsatz ähnlichen Antriebsarten erhöhen die
Komplexität der Arbeitsprozesse bei den Fahrzeugherstel-
lern und Zulieferern, nicht nur in der Entwicklung, sondern Franz Loogen
auch in der Produktion. Beim Umstieg auf alternative An- Geschäftsführer, e-mobil BW GmbH
triebskonzepte fallen diverse bekannte Komponenten rund
um den Verbrennungsmotor weg, gleichzeitig bieten ver-
mehrt elektrische und elektronische Komponenten neue
Wertschöpfungspotenziale. Dem E-Motor als zentralem
Bauteil der Elektromobilität kommt neben der Batterie eine
Schlüsselrolle zu, da er bei allen elektrischen Antriebskon-
zepten benötigt wird, jedoch technisch sehr unterschiedlich
ausgelegt und für die jeweilige Anwendung optimiert wer-
den muss. In diesem Wachstumsmarkt ist es von Bedeu-
tung, dass deutsche Automobilkonzerne und Zulieferer ihre
Innovationskraft nutzen, um auch bei den neuen Technologi-
en mit spezialisierten Komponenten und überzeugenden
Produkten relevante Marktanteile zu erzielen.
Sicher ist: In zukünftigen Fahrzeugen wird die Anzahl an
elektrischen Aktuatoren und E-Motoren für den Antrieb und
viele weitere Funktionen zunehmen. Diese Marktchancen
gilt es, für die baden-württembergische Automobilwirt-
schaft zu ergreifen und bereits vorhandenes Know-how wei-
© asharkyu/shutterstock
terzuentwickeln.
4 5
Management Summary
Der E-Motor ist eine der zentralen Komponenten im elektrifizierten Antriebsstrang und wird sowohl Unter diesen Antriebsarten erreicht der PSM die größten Marktpotenzial: Elektrische Traktionsmotoren im PKW
bei batterieelektrischen und Brennstoffzellenfahrzeugen als auch bei Hybridfahrzeugen benötigt. Marktanteile und höchsten Effizienzen im mittleren Drehzahl- sorgen 2030 für rund 22 Mrd. € Umsatz weltweit
Zudem gibt es weitere vielfältige Anwendungsgebiete für E-Motoren im Fahrzeug. Diese um bereich. Aufgrund des Bedarfs an seltenen Erden weist er
fassen beispielsweise die elektrische Parkbremse, elektrische Fensterheber und elektrische jedoch auch die höchsten Kosten aus. Die Kosten für E-Moto- Aufgrund der weltweiten Regelungen zum Klimaschutz wird
Klimaanlagen. Der elektrische Traktionsmotor im PKW bietet für Baden-Württemberg die größte ren teilen sich gemittelt über die drei Motorentypen in ca. in den kommenden Jahren eine starke Marktdurchdringung
Chance, Wertschöpfungspotenziale im Transformationsprozess zur Elektromobilität zu erschlie- 70% für Materialkosten inkl. Halbzeugen wie Wickeldraht der Elektromobilität prognostiziert. Es wird bis zum Jahr 2030
ßen. oder Permanentmagnete und 30% Produktionskosten. Dabei ein Anteil von über 80% elektrifizierter Fahrzeuge wie Mild
ähneln sich die Produktionsprozesse der verschiedenen Mo- Hybrid Electric Vehicles (MHEV), Hybrid Electric Vehicles
torentypen stark. (HEV), Plug-in-Hybrid Electric Vehicles (PHEV) und vollelektri-
scher batteriebetriebener Fahrzeuge (BEV) am globalen PKW-
Nur wenn es gelingt, in Zukunft bei allen wichtigen Kom des konventionellen Antriebs auf E-Motoren. Im Zuge steigender Absatzahlen elektrisch angetriebener Markt erwartet. Der weltweite Absatz elektrischer Traktions-
ponenten des elektrischen Antriebsstrangs ausreichend ver- 7. Förderung weiterer Wertschöpfungspotenziale im Fahrzeuge (xEV) steht für Fahrzeughersteller und Systemliefe- motoren wächst auf Basis des in Kapitel 3 beschriebenen
treten zu sein, kann der Südwesten Deutschlands seine Stel- erweiterten Wertschöpfungscluster Maschinen- und ranten die Weiterentwicklung des E-Motors zukünftig ver- Prognosemodells auf ca. 92 Mio. Einheiten (siehe Abbildung
lung als eines der führenden Automobilcluster in Europa Anlagenbau. stärkt im Fokus. In den kommenden Jahren sollen vor allem 1). Die größten Marktanteile entfallen dabei voraussichtlich
erhalten und zur Sicherung des Wohlstands sowie der 8. Analyse weiterer möglicher Wertschöpfungspotenziale Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsparameter, der Effi- auf MHEV-Traktionsmotoren mit ca. 43% Marktanteil, für
Beschäftigung in Baden-Württemberg beitragen. bei Rohmaterialien und Halbzeugen. zienzen sowie der Produktions- und Materialkosten erreicht BEV-Motoren wurde ein Marktanteil von ca. 23% ermittelt.
werden. Hierbei sind Technologietrends wie die kontinuierli- Für elektrische Traktionsmotoren wird ein weltweites Markt-
Das vorliegende Themenpapier beschreibt in zwei Szenarien, Die Handlungsempfehlungen fußen auf der Analyse der fol- che Hairpin-Wicklung, erhöhte Drehzahlen, verbesserte Isola- potenzial von ca. 22 Mrd. € für das Jahr 2030 erwartet.
wie groß die Wertschöpfungspotenziale bei der Herstellung genden Schwerpunkte: tionen und die verstärkte Systemintegration von hoher Relevanz.
von E-Motoren für automobile Anwendungen in Baden-Würt-
temberg sein könnten, wenn es gelingt, das vorhandene gute aktueller technologischer Status der elektrischen
Basis-Know-how zu nutzen, um in einer sehr international ver- Traktionsmotoren, ihrer Komponenten und ihrer Herstellung
ASM
ASM
netzten, kompetitiven und kostengetriebenen Branche Markt- globale und regionale Marktentwicklung
Millionen
Millionen Stück
Stück
anteile und Wertschöpfungstiefe auszubauen. Acht Handlungs- vorhandene Montage- und Produktionskompetenzen in PSM
PSM
empfehlungen zeigen Wege auf, wie durch die Akteure im Land Baden-Württemberg 16%*
16%* FSM
FSM
ein wirtschaftlich funktionierendes „Ökosystem“ zur Produkti- bestehende globale Lieferbeziehungen
* CAGR:
on von E-Motoren gefördert und aufgebaut werden kann. * CAGR:
Durchschnittliche jährliche
Durchschnittliche jährliche
Motortopologien: Wachstumsrate (engl. Compound
Wachstumsrate (engl. Compound
Annual Growth Rate)
Quelle: Eigene Berechnung
Annual Growth Rate)
1. Förderung von Technologiekompetenz bei der Entwicklung Der Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM) ist heute 85
92
92
78 85
und Produktion elektrischer Traktionsmotoren. der am häufigsten eingesetzte elektrische Traktionsmotor 71 78
71 33%
33%
64 34%
64
2. Steigerung der Attraktivität Baden-Württembergs als und wird aus aktueller Sicht weiter an Bedeutung gewin- 60
60 36%
36%
36%
34%
51 36% 36%
43 51 37%
Standort für E-Motoren-Produktion. nen. 36
43
37%
37% 36%
28 36 37% 37% 60%
3. Befähigung etablierter mittelständischer Unternehmen 20 28 37% 37% 57% 58% 60%
19 20 37% 56% 57% 58%
19 37%
37% 56% 56% 56%
56%
56%
36% 36% 56% 56% 56% 56%
und Ansiedlung neuer Unternehmen. Im Bereich elektrischer PKW-Antriebsmotoren haben sich 36%
57%
57%
36%
57%
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56% 56% 56%
7%
7%
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8%
8%
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8%
8%
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7%
7%
7%
7% Abbildung 1:
4. Beobachtung des Trends zur vertikalen Integration. drei Motorentypen etabliert:
2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 Weltweite Marktanteile für
5. Realisierung von Wertschöpfungspotenzialen an den 1. Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM) 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
Traktionsmotoren bis 2030
Schnittstellen des E-Motors zum Gesamtfahrzeug. 2. Drehstrom-Asynchronmotor (ASM)
6. Transfer von Know-how aus Erprobung und Validierung 3. Fremderregte Synchronmotor (FSM)
6 7
Kompetenzen: Im Land Baden-Württemberg sind folge der steigenden Marktdurchdringung elektrifizierter An- wurde vom Konsortium aufgrund der folgenden Argumente
alle erforderlichen Kompetenzen zur Entwicklung und triebe rückt die E-Motoren-Entwicklung und -Fertigung je- festgesetzt.
Fertigung von E-Motoren vorhanden doch zunehmend in den Fokus der Fahrzeughersteller. Dies
lässt auf eine zunehmende Erhöhung der Fertigungstiefe in 1. Ein erhöhtes technisches Differenzierungspotenzial im
Für Baden-Württemberg ergeben sich durch diese Marktent- den nächsten Jahren schließen. Diese Integration wurde be- Produktfeld elektrischer Antriebsmotoren gegenüber
wicklung hohe Wertschöpfungspotenziale. Um diese Potenzi- reits von diversen OEMs angekündigt. handelsüblichen E-Motoren-Varianten (Fensterheber,
ale erschließen zu können, ist jedoch eine intensive und abge- Sitzsteller, Kleinstmotoren …)
stimmte Begleitung sowie Förderung von Wirtschaft und Der Großteil der globalen Fahrzeughersteller beteiligt sich
Wissenschaft duch die Politik erforderlich. Aktuell konnten 61 zukünftig an der Produktion von elektrischen Traktionsmoto- 2. Die Ansässigkeit bereits etablierter Unternehmen
Unternehmen im Land, bestehend aus OEMs und Automobil- ren und verfolgt dabei eine Strategie der teilweisen Inhouse- im Bereich elektrischer Antriebsmotoren wie
zulieferern, identifiziert werden, die Kompetenzen zur Produk- produktion. Die wichtigsten E-Motoren-Komponenten für Porsche AG, Robert Bosch GmbH, ZF Friedrichshafen
tion von E-Motoren und ihrer (Sub-)Komponenten in integrier- die volumenstärksten Plattformen werden voraussichtlich AG, Schaeffler AG, Mahle GmbH etc. in
ten Fertigungsschritten aufweisen. Es kann daher davon selbst produziert und Subkomponenten werden teilweise Baden-Württemberg
ausgegangen werden, dass alle zur Herstellung von E-Moto- zugekauft. Tier-1-Lieferanten übernehmen daraufhin voraus-
ren benötigten Kompetenzen grundsätzlich im Land vorhan- sichtlich die Produktion von E-Motoren für OEMs ohne In- 3. Die im direkten Vergleich bereits fortgeschrittenere
den sind. Die Analyse umfasst dabei keine Wertschöpfung in housefertigung, bieten Produktlösungen für die nicht durch Integration Baden-Württembergs im Bereich E-Motoren
der Herstellung von Halbzeugen und Rohmaterialien. OEMs abgedeckten Anwendungsfelder und für neue Märk- gegenüber den Produktclustern Lithium-Ionen-Batterie
te wie Nutzfahrzeuge an. und Leistungselektronik
Ein Best-Case-Szenario berechnet bis zum Jahr 2030 auf
Basis der in diesem Themenpapier beschriebenen Prämissen Beschäftigung: E-Motoren-Produktion ermöglicht Die Autoren des Themenpapiers nehmen an, dass der Wert-
eine Steigerung des Wertschöpfungspotenzials von 25 Mio. € positive Beschäftigungseffekte in Baden-Württemberg schöpfungsanteil Baden-Württembergs in Höhe von 8 % am
auf 113 Mio. € für das Land Baden-Württemberg (siehe Kapitel 4). europäischen Markt bis 2030 konstant bleibt. Gründe hierfür
Durch den steigenden Bedarf an elektrischen Traktions liegen trotz des prognostizierten starken Marktwachstums
Während das Best-Case-Szenario von einer vollständigen motoren weltweit und die in den Szenarien aufgezeigten im Produktcluster elektrischer Antriebssysteme bis zum
Fertigung der E-Motoren inklusive der (Sub-)Komponenten Wertschöpfungspotenziale für Baden-Württemberg können Jahr 2030 im globalen Sourcing und Wettbewerb insbeson-
ohne Materialien und Halbzeuge im Land ausgeht, berück- auch neue Arbeitsplätze im Bereich der E-Motoren-Produk- dere mit Asien.
sichtigt das Realistic-Case-Szenario die bestehenden welt- tion im Land entstehen. Für das Best-Case-Szenario ergab
weiten Lieferkettenstrukturen. Bei diesem Szenario wird von die Berechnung für die hinzukommenden (Fade-in-) Die realen Entwicklungszahlen müssen entsprechend den in
einer geringeren Wertschöpfungstiefe ausgegangen, da be- Beschäftigungseffekte ein Plus von etwa 2.000 Mitarbeiten- Baden-Württemberg getätigten Investitionen und der Fir-
reits heute viele (Sub-)Komponenten außerhalb von Baden- den für das Jahr 2030. Von den 2.000 ausgewiesenen Mitar- menaufstellung gemonitort werden, um entlang der Trans-
Württemberg zugekauft werden und dies auch in der Zukunft beitenden könnten voraussichtlich ca. 1.250 Mitarbeitenden formation aktuelle Aussagen zum realen Marktanteil treffen
so bleiben könnte. auf die Produktion entfallen und ca. 750 Mitarbeitende in zu können.
den indirekten Bereichen beschäftigt sein. Im Rahmen des
Das Realistic-Case-Szenario zeigt eine Steigerung des Wert- Realistic-Case-Szenarios, das internationale Lieferketten be- Lieferantenbeziehungen: Während OEMs eher
schöpfungspotenzials von (heute) ca. 16 Mio. € auf über 80 rücksichtigt und von einer geringeren Wertschöpfungstiefe regionale Beziehungen aufbauen, setzen System
Mio. € im Jahr 2030. Die Potenziale liegen im Realistic-Case- ausgeht, reduzieren sich diese Beschäftigungseffekte auf lieferanten auf globale Netzwerke
Szenario bei gleichbleibender Absatzstückzahl ca. 20–40% etwa 1.670 Mitarbeitende.
unter der Entwicklung des Best-Case-Szenarios. Die Analyse des globalen E-Motoren-Marktes für das Jahr
Für nachfolgende Berechnungen des europaweiten Wert- 2025 zeigt, dass sowohl OEMs als auch Tier-1-Automobilzu-
Wertschöpfung: Erhöhung der Fertigungstiefe in der schöpfungspotenzials Baden-Württembergs im Produktclus- lieferer aus Europa, Asien und Nordamerika zu den Unter-
Produktion der Fahrzeughersteller angekündigt ter der elektrischen Antriebsmotoren werden 8% als kons- nehmen mit den größten Marktanteilen zählen werden. Eine
tanter Wert verwendet. Die Ableitung erfolgte auf Basis der Untersuchung der europäischen Produktionsnetzwerke von
Die Analyse der Strategien und Ankündigungen von im Land Strukturstudie BWe mobil 2019. Im Rahmen der Strukturstu- Verbrennungsmotoren im Rahmen der Strukturstudie BWe
ansässigen Fahrzeugherstellern und Systemlieferanten zeigt, die wurde für das Basisjahr 2019 ein Anteil Baden-Württem- mobil 2019 ergab, dass die Fahrzeughersteller tendenziell
dass sowohl die E-Motoren-Entwicklung als auch die Er bergs von 3–5% an der europaweiten Wertschöpfung im stärker regional für den jeweiligen Markt produzieren und
probung und Fertigung derzeit hauptsächlich bei den Zuliefe- Bereich „neuer Komponenten“ ermittelt, darunter Batterie- auch ihre Lieferantenbeziehungen regionaler aufbauen als
rern wie der Robert Bosch GmbH, der ZF Friedrichshafen AG, systeme, Leistungselektronik und elektrische Motoren aller Systemlieferanten. Letztere setzen stärker auf einen Einkauf
der Schaeffler Gruppe oder der Mahle GmbH stattfinden. In- Leistungsklassen. Der angenommene Wert für E-Motoren der Komponenten außerhalb des Landes.
8 9
1.
Ausgangslage und Zielsetzung
Für die Bewertung der Wertschöpfung durch die Herstel- Kapitel 2 beleuchtet den Stand der Technik, die Entwick- Fahrzeug- und Markthochläufe sowie die Analysen der welt-
lung von E-Motoren in Baden-Württemberg ist ein tiefgrei- lung der Motorkonzepte sowie die Subkomponenten der weiten Marktpotenziale im Bereich E-Motoren und der ab-
fendes Verständnis der aktuellen E-Motoren-Designs eben- E-Motoren im Fahrzeug. Zusätzlich zur Beschreibung der gedeckten Wertschöpfungsstufen in Baden-Württembergs.
so wichtig wie ein Einblick in die weltweiten Volumina im E-Motoren-Typen werden das Zusammenspiel im Antriebs- Aufbauend auf den Ergebnissen des Kapitels werden die
Betrachtungszeitraum bis 2030. Diese werden auf Basis strang und die zugehörigen Schnittstellenkomponenten auf- Wertschöpfungspotenziale und die Beschäftigungssituation
prognostizierter Fahrzeughochläufe, angekündigter Produkt- gezeigt. Neben den im Fokus des Themenpapiers befindli- in Baden-Württemberg in der Produktion und Montage elek-
Roadmaps sowie aktuell und voraussichtlich in Zukunft ab- chen Traktionsmotoren wird durch die Elektromobilität auch trischer Traktionsmotoren für PKW-Anwendungen im Rah-
gedeckter Wertschöpfungsstufen durch Unternehmen in die Elektrifizierung von Leistungs- und Nebenverbrauchern men eines Best-Case-Szenarios prognostiziert. Ziel des Ka-
Baden-Württemberg abgeleitet. weiter beschleunigt. Effizienzsteigerungen und verbesserte pitels ist die Darstellung der aktuellen und zukünftigen
Steuerungsfähigkeit von elektrischen Motorsystemen trei- Wertschöpfung sowie der Beschäftigung in der Herstellung
Das vorliegende Themenpapier liefert Antworten auf folgen- ben die Entwicklung weg von riemengetriebenen Applikatio- von elektrischen Traktionsmotoren in Baden-Württemberg
de Fragestellungen: nen und eröffnen weitere Wertschöpfungspotenziale. Für unter optimalen Bedingungen.
die Identifikation von Synergieeffekten beinhaltet das zweite
Welche Motorkonzepte gibt es, wie werden die Motoren Kapitel zudem einen Exkurs zu E-Motoren in Nutzfahrzeugen. Kapitel 5 gibt einen Überblick über die globalen Lieferbezie-
gefertigt und wo werden sie eingesetzt? hungen für E-Motoren und deren (Sub-)Komponenten. Dies
In Kapitel 3 werden der weltweite E-Motoren-Markt für Au- dient als Grundlage für die Darstellung der an der Produktion
Welche Technologietrends gibt es für E-Motoren und tomobilanwendungen sowie dessen Entwicklung bis 2030 von E-Motoren beteiligten Länder bzw. Regionen. Anhand
deren Subkomponenten? analysiert. Infolge der steigenden Anzahl elektrischer Moto- dieser Übersicht wird die Platzierung deutscher und insbeson-
ren – getrieben durch die Elektrifizierung von Antriebstopo- dere baden-württembergischer Unternehmen bei der Herstel-
Welche Synergieeffekte ergeben sich aus dem Bereich logien und durch die steigenden Durchdringung von Premi- lung von elektrischen Traktionsmotoren verdeutlicht und eine
der Traktionsmotoren für Nutzfahrzeuge? umfahrzeugen mit erweiterten Komfortfunktionen – verlagern potenzielle Entwicklung bis zum Jahr 2025 aufgezeigt. Auf
sich die Marktpotenziale weltweit. Ein klares Verständnis Basis der Marktsituation sowie der Lieferbeziehungen wird
Wie entwickelt sich der weltweite Markt für E-Motoren über den Bedarf und die Profitabilität dieser Systeme und im eine Standardlieferkette für das Jahr 2025 abgeleitet.
in Automobilanwendungen und welche Bedarfe sind im Speziellen über elektrische Antriebsmotoren wird in diesem
Zuge der Elektrifizierung zu erwarten? Kapitel erarbeitet, um strategische Implikationen für lokale Anschließend werden im Rahmen einer zusammenfassen-
Industrien entsprechend einordnen und nutzen zu können. den Betrachtung die bisherigen Ergebnisse des Themenpa-
Welche Wertschöpfungskompetenz und -stärken haben piers ausgewertet und auf die Standardlieferkette bezogen.
die Unternehmen in Baden-Württemberg? Kapitel 4 befasst sich mit den Wertschöpfungspotenzialen Daraus leitet sich nach Gegenüberstellung mit dem im The-
von Unternehmen in Baden-Württemberg. Der Fokus liegt menpapier evaluierten Marktpotenzial für Baden-Württem-
Welche zukünftig attraktiven Wertschöpfungsstufen ergeben hierbei auf den elektrischen Traktionsmotoren für automobi- berg das Realistic-Case-Szenario ab.
sich daraus für die Unternehmen in Baden-Württemberg? le Anwendungen. Aufbauend auf der Strukturstudie BWe
mobil 2019 und einer Auswertung der E-Motoren-Produk- In Kapitel 6 werden abschließend die Ergebnisse der Kapi-
Welche Beschäftigungseffekte und -potenziale lassen tions- und -Montagekompetenzen werden die abgedeckten tel 1 bis 5 zusammengefasst und daraus die Entwicklungs-
sich entlang der Wertschöpfungskette identifizieren und Wertschöpfungsstufen in Baden-Württemberg herausgear- potenziale und Handlungsempfehlungen für die Akteure in
für die Unternehmen in Baden-Württemberg ableiten? beitet. Als Basis hierfür dienen die in Kapitel 3 ermittelten Baden-Württemberg abgeleitet.
10 112.
E-Motor-Technologien im elektrifizierten Automobil
Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs im Automobil hat in 2.1. Stand der Technik 2.1.1. Elektrische Maschinen
den vergangenen Jahren deutlich zugenommen. Grund hier- Produktion ist beim PSM durch den Einsatz von
für sind, neben den zunehmend strengeren Regularien wie Permanentmagneten, für deren Rotoren in der Die in der Automobilindustrie angewendeten Technologien Elektrische Maschinen sind Energiewandler, die als Motor
den von der EU beschlossenen CO 2 -Grenzwerten, vor allem Produktion seltene Erden benötigt werden, im für E-Motoren finden auch in verschiedenen anderen Anwen- elektrische in mechanische Energie und als Generator mecha-
Technologiesprünge, die einen elektrifizierten Antrieb ge- Gegensatz zum FSM und ASM festzustellen. dungsbereichen, wie Haushaltsgeräten und der Industrie, nische in elektrische Energie wandeln. Sie lassen sich anhand
genüber Verbrennungsmotoren wettbewerbsfähig machen. vielseitige Anwendung. Jedoch weichen die Anforderungen des Spannungsverlaufs in Gleichstrom- (DC) und Wechsel-
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden jedoch Durch die steigende Bedeutung der Elektrifizie- hinsichtlich Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistungsdichte im strommotoren (AC) unterscheiden. Abbildung 2 zeigt die in
auch außerhalb des Antriebsstrangs zusätzliche elektrische rung der Mobilität rückt der E-Motor verstärkt in Fahrzeugbau teilweise deutlich von den anderen Anwen- der Elektromobilität relevanten E-Motoren (Kampker, et al.,
Motoren für verschiedene Anwendungen verbaut. Zudem den Fokus der Forschung und Entwicklung der dungsfällen ab. Der folgende Abschnitt soll einen Überblick 2013). Aufgrund des weit verbreiteten Gebrauchs der Begrif-
können durch die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ehe- Fahrzeughersteller, Systemlieferanten und über die aktuell im Fahrzeugbau marktrelevanten E-Motoren fe E-Motor und E-Maschine werden diese als Synonyme für
mals riemengetriebene Funktionen durch elektrische Antrie- wissenschaftlichen Einrichtungen. und deren Eigenschaften geben und technisches Verständnis den Begriff elektrische Maschine verwendet (Binder, 2012).
be ersetzt werden. Um konkrete Implikationen für die Wert- Im Mittelpunkt steht dabei die Optimierung vermitteln. Im Rahmen des vorliegenden Themenpapiers wird der Be-
schöpfung und die damit im Zusammenhang stehende hinsichtlich Effizienz, Leistung und Kosten. griff E-Motor verwendet.
Industrie ableiten zu können, werden in diesem Kapitel des-
halb neben den Traktionsmotoren auch diese zusätzlich ver- Im Rahmen dieser Forschung zeichnen sich
bauten E-Motoren und deren Technologien betrachtet. mehrere Trends zur Verbesserung der marktdomi-
nierenden Motorenarten wie höhere Drehzah-
len, verbesserte Isolierungen oder auch die E-Motoren
verstärkte Systemintegration ab.
Im Bereich der elektrischen PKW-Antriebe Neben den Trends zur Verbesserung der aktuell Gleichstrom (DC) Wechselstrom (AC)
werden hauptsächlich die Motorentypen am Markt vorherrschenden Motortopologien
Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM), werden auch weitere Motorenarten wie
1-phasig 3-phasig 1-phasig 3-phasig
Drehstrom-Asynchronmotor (ASM) und beispielsweise der Axialflussmotor für eine
Fremderregter Synchronmotor (FSM) ein - zukünftige Anwendung als PKW-Traktionsmotor Gleichstrom- Bürstenloser
Universalmotor Synchron
Bürstenmotor Gleichstrommotor (BLDC)
gesetzt. Der PSM ist dabei heute der am häufigsten perspektivisch absehbar.
Permanentmagnet-
Synchronmotor
eingesetzte elektrische Traktionsmotor und wird Synchronmotor (PSM)
Fremderregter
aus aktueller Sicht weiter an Bedeutung gewinnen. Neben den E-Motoren für PKW gewinnt Asynchronmotor
Synchronmotor (FSM)
Quelle: Eigene Darstellung
der Markt für elektrische Traktionsmotoren Geschalteter
Reluktanzmotor (SRM)
Die Produktionsprozesse der verschiedenen in Nutzfahrzeugen weiter an Bedeutung.
Axialflussmotor
Motortypen sind sehr ähnlich und teilen sich Dabei ergeben sich aktuell vor allem Synergieef-
Im Betrachtungsumfang
Asynchronmotor (ASM)
auf die Komponenten Rotor, Stator und Gehäuse fekte zu den leichten Nutzfahrzeugen, da diese Nicht im Betrachtungsumfang (aufgrund nicht relevantem Marktanteil in Automotive-Applikationen)
mit ihren Subkomponenten sowie die Endmonta- auf E-Motoren aus dem PKW zurückgreifen bzw.
ge auf. Die größte Abweichung in der E-Motoren- sehr ähnliche Anforderungen haben Abbildung 2: E-Motoren im Überblick
12 13Gleich- und Wechselstrom-E-Motoren liegen unterschiedli- Hinsichtlich des Aufbaus bestehen die in Abbildung 2 darge- Aktuell sind als Traktionsmotoren Permanentmagnet- Wechselstrommotoren mit aktueller
che Konzepte hinsichtlich des Eingangsstroms und der Ver- stellten E-Motoren aus einem feststehenden Stator und ei- Synchronmotoren (PSM), Drehstrom-Asynchronmoto- Anwendung als Traktionsmotor im PKW
schaltung der Spulenwicklungen zugrunde. Während bei nem sich drehenden Rotor (siehe Abbildung 3). Beide Bau- ren (ASM) und Fremderregte Synchronmotoren (FSM)
einphasigen Motoren die Spulen über zwei Klemmen (eine teile wandeln elektrische in mechanische Energie und marktrelevant und finden in elektrisierten Fahrzeugen Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM)
Phase) mit Gleich- oder Wechselstrom versorgt werden, ge- werden als Aktivteile bezeichnet. Die erzeugten Kräfte füh- Anwendung. Als weitere Motortypen werden der geschal-
schieht dies bei dreiphasigen Motoren über drei Klemmen, ren zu einer Relativbewegung. Der Rotor ist fest mit der tete Reluktanzmotor (Switched Reluctance Motor, Abk. Das physikalische Grundprinzip hinter der Energiewandlung
sodass drei um 120° versetzte Spulenpaare zeitversetzt be- Welle verbunden, die das Drehmoment an das Getriebe SRM) sowie der Axialflussmotor als vielversprechende beim PSM ebenso wie bei FSM und ASM ist die Lorentz-
stromt werden. Weit verbreitete Auslegungen von einphasi- überträgt. Das Gehäuse ist fest mit dem Stator verbunden Technologie für Traktionsmotoren angesehen. Jedoch wird kraft. Dabei wird das Drehmoment durch die Wechselwir-
gen E-Motoren sind Bürstenmotoren, die z. B. direkt über und beinhaltet die Lagersitze für die Welle. Welle und Ge- für den SRM im betrachteten Zeitraum keine signifikante kung zwischen dem Magnetfeld eines stromdurchflossenen
eine Batterie gespeist werden, und Universalmotoren, die häuse gehören zu den Passivteilen. Je nach Motorkonzept Marktrelevanz erwartet, weshalb er in diesem Themenpa- Leiters sowie einem magnetischen Feld der Permanentma-
über das 230-V-Netz der Haushaltssteckdose versorgt wer- sind die Komponenten zum Teil sehr unterschiedlich ausge- pier nicht weiter betrachtet wird. gnete erzeugt (Leidhold, 2012). Der PSM besitzt für die Er-
den. Dreiphasige E-Motoren sind beispielsweise Asynchron- führt und werden in Innenläufer- und Außenläufermotoren zeugung der Magnetfelder Spulenwicklungen im Stator und
motoren, die in den meisten Industrieanwendungen direkt (z. B. Radnabenmotor) aufgeteilt. Bei Innenläufern befindet Neben den oben genannten Traktionsmotoren für den An- Permanentmagnete im Rotor (siehe Abbildung 4). Die Spu-
mit dem 400-V-Drehstrom aus dem Niederspannungsnetz sich der Rotor innerhalb und bei Außenläufermotoren außer- trieb der Fahrzeuge ist es für den Fahrbetrieb notwendig, lenwicklungen werden über eine dreiphasige Wechselspan-
gespeist werden. Im PKW werden bei Traktionsmotoren halb des Stators. Die Bauform des Außenläufermotors wird weitere Funktionen durch E-Motoren zu elektrifizieren. Zum nung so angeregt, dass sich das durch die Spulen induzierte
(Motoren, mit denen der Radsatz eines Fahrzeugs angetrie- im Rahmen dieses Themenpapiers jedoch nicht weiter be- Einsatz kommen hier meist bürstenlose Gleichstrommoto- Magnetfeld in einer definierten Frequenz dreht. Der Rotor
ben wird) dreiphasige Ausführungen verwendet, wohinge- trachtet, da diese derzeit keine signifikante Marktrelevanz ren (Brushless DC, Abk. BLDC). So werden die ehemals rie- folgt dem Magnetfeld des Stators synchron mit der identi-
gen bei sonstigen Anwendungen im Fahrzeug sowohl ein- im Bereich der PKW aufweist. mengetriebenen Verbraucher wie Klimakompressoren oder schen Drehzahl (Reif, et al., 2012).
als auch dreiphasige E-Motoren Einsatz finden. Servolenkungen nun durch E-Motoren angetrieben. Doch
auch bei aktuellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren Aus technischer Perspektive zeichnet sich der PSM unter Teil-
werden diese Funktionen teilweise elektrifiziert, um den last und bei niedrigen Drehzahlen durch hohe Effizienzraten
Kraftstoffverbrauch zu senken. Aufgrund der hohen Leis- von bis zu 95% aus. Durch diese Eigenschaft erreicht der
tungs-, Effizienz- und Qualitätsanforderungen kommen für PSM sehr gute Verbrauchswerte im Homologationszyklus
diese Applikationen keine Bürstenmotoren (engl. Brushed Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC). Bei
DC) zum Einsatz. Diese finden lediglich bei Komfortfunktio- hohen Drehzahlen sinkt jedoch die Effizienz. Durch den Ein-
nen oder Funktionen mit geringer Nutzungsdauer Anwen- satz starker Permanentmagnete erreicht der PSM eine hohe
dung. volumetrische und gravimetrische Leistungsdichte. Die Be-
Leistungselektronik
Getriebegehäuse Power electronics triebstemperatur ist beim PSM auf den materialspezifischen
Gearbox housing
Curie-Punkt der Magnete begrenzt. Oberhalb dieser Tempe-
ratur verliert der Rotor seine magnetischen Eigenschaften.
Dazu sind Verfügbarkeit und Kosten der benötigten seltenen
Stator
Stator Erden Neodym und Dysprosium für die Rotormagnete kritisch
zu betrachten. Eine weitere Herausforderung beim PSM sind
Getriebe mit
Planetenraddifferenzial Rotor die hohen Schleppverluste, die verstärkt bei Allradfahrzeugen
Gearbox with planet Rotor
gear differential in effizienten Betriebsmodi auftreten, in denen ein Motor
Kühlungsanschlüsse temporär abgeschaltet wird.
Coolant connections
Gehäuse
Housing
Statorträger mit Kühlmantel
Stator carrier with cooling jacket
Wicklung
Quelle: Eigene Darstellung
Lagerschild
Bearing plate Rotor
Quelle: Audi AG
Permanentmagnet
Abbildung 3: Schematischer Aufbau eines elektrischen Antriebsmotors Abbildung 4: Aufbau PSM
14 15Fremderregter Synchronmotor (FSM) Asynchronmotor (ASM) Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) Vergleich der Motorkonzepte
Die Funktionsweise des FSM ist der des PSM sehr ähnlich, Der ASM zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und BLDC-Motoren werden lediglich im kleinen und mittleren Jedes der aufgeführten Motorkonzepte weist je nach An-
allerdings wird das Magnetfeld im Rotor nicht mit Perma- eine kostengünstigere Herstellung im Vergleich zu PSM und Leistungssegment eingesetzt und finden keine marktrelevan- wendungsgebiet und Untersuchungskriterium Vorteile bzw.
nentmagneten, sondern mit einer stromdurchflossenen FSM aus. Für den Aufbau des Rotors existieren die Alterna- te Anwendung als Traktionsmotoren im PKW-Bereich. Im Ge- Nachteile gegenüber den anderen Motorkonzepten auf. Ein
Spulenwicklung erzeugt (siehe Abbildung 5). In aktuellen tiven Käfigläufer und Schleifringläufer, wobei Letzterer in gensatz zu einem Gleichstrom-Bürstenmotor haben BLDC- Blick auf den aktuellen Markt für Elektroautos zeigt, dass
Serienanwendungen erfolgt die Stromübertragung an die der Elektromobilität keine Anwendung findet (siehe Abbil- Motoren keine Kohlebürsten und kein Bürstenfeuer, das die PSM, FSM und ASM die vorherrschenden Konzepte sind
Rotorspulen mithilfe von Schleifkontakten, die einem natür- dung 6). Der Käfigläufer besteht aus mehreren Aluminium- Ansteuerelektronik stören könnte. Der Aufbau eines BLDC- (siehe Tabelle 1). In Abbildung 8 werden diese drei Motor-
lichen Verschleiß unterliegen. Nach dem aktuellen Stand der oder Kupferstäben, die über einen Kurzschlussring zu einem Motors ist dem eines PSM sehr ähnlich und unterscheidet konzepte auf Basis der oben beschriebenen Kriterien vergli-
Forschung kann der Strom für das Rotormagnetfeld aller- Kurzschlusskäfig verbunden werden. Entsprechend werden sich nur durch eine vereinfachte Sensorik. Er verfügt ebenfalls chen. Der Einsatz von geschalteten Reluktanzmaschinen
dings auch induktiv und damit völlig berührungslos übertra- für den Rotor keine seltenen Erden benötigt. Der Aufbau des über einen Rotor mit Permanentmagneten und einen mit Spu- (SRM) wird im Rahmen dieses Themenpapiers nicht genau-
gen werden (siehe Kapitel 2.3). Da das Rotormagnetfeld Stators ist dem der oben beschriebenen Synchronmotoren len umfassten Stator (siehe Abbildung 7). Obwohl die meis- er beleuchtet, da dieser Motortyp sich gegenwärtig für Elek-
gezielt angesteuert werden kann, werden sehr gute Laufei- gleich. Im Betrieb wird durch das Statormagnetfeld ein ten BLDC-Motoren Innenläufer sind, gibt es auch Außenläu- trofahrzeuge im Forschungsstadium befindet. SRM ermögli-
genschaften erreicht. Stromfluss im Kurzschlusskäfig erzeugt, wodurch das zwei- fer-Konzepte. chen eine hohe Effizienz ohne den Einsatz von seltenen
te Magnetfeld im Rotor entsteht. Der Rotor folgt dem Mag- Erden, jedoch ist die Steuerung des Motors sehr komplex
Der FSM zeichnet sich gegenüber dem PSM durch eine nur netfeld des Stators, allerdings mit leichter Verzögerung. Die BLDC-Motoren weisen im Gegensatz zu konventionellen (Fleischer, et al., 2017). Der Axialflussmotor befindet sich
minimal geringere Effizienz von bis zu 93% Wirkungsgrad relative Geschwindigkeit zwischen Rotor und Stator wird als Gleichstrom-Bürstenmotoren eine höhere Effizienz und derzeit wie die geschaltete Reluktanzmaschine (SRM) im
aus. Dies ermöglicht auch mit dem FSM sehr gute Ver- Schlupf bezeichnet und ist für die Drehmomentübertragung Leistungsdichte sowie eine höhere Laufruhe auf. Daher wer- Entwicklungsstadium, allerdings wird mit einem ersten Ein-
brauchswerte im genormten Fahrzyklus WLTC. Die Effizienz notwendig. Der Wirkungsgrad ist mit maximal 90% im Ver- den für die bisher direkt vom Verbrennungsmotor angetrie- satz der Technologie bereits ab dem Jahr 2025 in Sonderan-
kann durch eine induktive Stromversorgung des Rotors an- gleich zu Synchronmaschinen etwas geringer. Bei höheren benen Verbraucher mit einem hohen Nutzungsgrad, wie wendungen gerechnet. Diese E-Motoren-Bauart wird in Ka-
stelle mit Schleifringen und Bürsten noch leicht gesteigert Drehzahlen erreicht der ASM jedoch eine bessere Effizienz beispielsweise Klimakompressoren, größtenteils BLDC- Mo- pitel 2.3.1 als E-Motoren-Trend genauer beleuchtet und
werden. Im Gegensatz zum PSM hat der FSM jedoch auf- (Fleischer, et al., 2017), (Kampker, 2014), (Illiano, 2013). Hin- toren in elektrischen Fahrzeugen eingesetzt. Jedoch wer- bietet aufgrund des hohen potenziellen Drehmoments im
grund der Rotorwicklung eine geringere volumetrische und sichtlich der volumetrischen und gravimetrischen Leistungs- den bei Herstellung des Rotors genau wie beim PSM selte- Vergleich zur Motorgröße sowie des geringeren Einsatzes
gravimetrische Leistungsdichte. Aus Materialsicht hat der dichte liegt der ASM ebenfalls hinter den Synchronmaschi- ne Erden benötigt und die Steuerung erfordert eine von Permanentmagneten im Vergleich zum PSM Potenzial.
FSM den Vorteil, dass keine teuren seltenen Erden wie Neo- nen, allerdings sind höhere Betriebstemperaturen möglich zusätzliche Leistungselektronik, wodurch aus Kostensicht Ein Vergleich der Motorkonzepte hinsichtlich marktrelevan-
dym und Dysprosium für die Magnete zur Herstellung des – und diese erfordern keine aufwendige Kühlung wie beim der BLDC Nachteile gegenüber dem Gleichstrom-Bürsten- ter Kriterien aus Hersteller- und Kundensicht favorisiert den
Rotors benötigt werden. Allerdings verursacht das komple- PSM. motor aufweist. Der Gleichstrom-Bürstenmotor ist dagegen PSM. Da die Kosten des PSM allerdings stark vom Rohstoff-
xe Rotordesign höhere Kosten in der Produktion. durch eine einfache bzw. keine Steuerung gekennzeichnet preis der Permanentmagnete abhängen, können sie sich bei
und wird daher vor allem für Komfortfunktionen, wie bei- veränderter Marktlage durchaus als unwirtschaftlich heraus-
spielsweise elektrische Fensterheber, eingesetzt. Das Dreh- stellen. Der FSM bietet derzeit gegenüber dem PSM eine
moment lässt sich proportional zum Strom regeln, wobei die geringere Leistungsdichte, besitzt jedoch noch Entwick-
Drehzahl proportional zur Spannung variiert. Ein einfacher lungspotenzial (Kampker, 2014). Die Entscheidung für eine
Aufbau sowie eine geringe Anzahl an zusätzlich notwendi- Technologie kann stark vom Einsatzgebiet abhängen. Bei-
gen externen Bauteilen ermöglichen geringe Herstellungs- spielsweise ist der Gesamtwirkungsgrad eines PSM gegen-
und Materialkosten. Allerdings erfordert der Verschleiß der über dem eines ASM höher. Dieser Vorteil reduziert sich je-
Kohlebürsten, die den notwendigen elektrischen Kontakt doch bei Volllast und hohen Drehzahlen deutlich. Die Stärken
zum Rotor ermöglichen, regelmäßige Wartungen. des PSM kommen vor allem im Teillastbereich zum Tragen
(Binder & Knopik, 2010), (Burkert, 2014).
Wicklung
Quelle: Eigene Darstellung
Quelle: Eigene Darstellung
Quelle: Eigene Darstellung
Rotorwicklungen Statorspule
Rotor
Käfigläufer
Permanentmagnet
Abbildung 5: Aufbau FSM Abbildung 6: Aufbau ASM Abbildung 7: Aufbau BLDC
16 17der die Rotorwelle von innen mit dem Kühlmittel durchspült Traktionsmotoren, die als Motor für den Vortrieb ebenso wie
Wirkungsgrad wird. Alternativ können die Welle sowie der Zwischenraum als Generator zum Rekuperieren (Rückgewinnen) von Brem-
zwischen Rotor und Stator in den Ölkreislauf des Getriebes senergie und zum Laden der Batterie eingesetzt werden
integriert und somit gekühlt werden. Eine Ölkühlung des (siehe Abbildung 9). Indirekter Zusammenhang besteht für
Stators ermöglicht die Wärmeabfuhr direkt von den Spulen E-Motoren in der Kategorie Mittlere Motoren, die für eine
als primäre Wärmequelle. Eine noch im Forschungs- und Elektrifizierung weiterer Komponenten außerhalb des An-
Stand der Technik Kosten Gesamtsystem Entwicklungsstadium befindliche Technologie sind innenge- triebsstrangs eingesetzt und für den allgemeinen Fahrzeug-
kühlte Hohldrähte in der Statorwicklung. Durch die nahezu betrieb benötigt werden. Die Kategorie umfasst beispiels-
optimale Wärmeabfuhr kann ein hoher Anteil des Gewichts weise elektrische Klimakompressoren, Kühlmittelpumpen,
der E-Maschine im Vergleich zu einer Wassermantelkühlung Bremskraftverstärker und Lenkungen. Kleine Motoren und
eingespart werden (Nitsche & Naderer, 2017), (Doerr, et al., die jeweiligen Technologien, die unabhängig vom Antriebs-
2018), (Pischinger & Seiffert, 2016), (Tochtermann, et al., 2017). strang im Fahrzeug verbaut werden und bereits in Ver-
brennerfahrzeugen Anwendung finden, wie beispielsweise
2.1.2. B
etrachtete Anwendungsgebiete E-Motoren für Komfortfunktionen, werden untergeordnet
Zuverlässigkeit Leistungsdichte im Rahmen dieses Themenpapiers behandelt. Gründe hierfür sind die geringe Wertschöpfung,
die primär in Niedriglohnländern erfolgt, sowie begrenzte
ASM
Quelle: Eigene Darstellung
Die Betrachtung im Rahmen dieses Themenpapiers be- Technologiesprünge in dieser Kategorie. Die Analyse der
PSM schränkt sich auf solche E-Motoren-Varianten, die grund- Deltaumfänge zum Einsatz von E-Motoren in Elektrofahrzeu-
sätzlich im Fahrzeugbau Anwendung finden und im direkten gen gegenüber konventionellen Verbrennerfahrzeugen dient
FSM
Geräuschentwicklung
und indirekten Zusammenhang mit der Elektrifizierung des somit als Grundlage zur Identifikation zukünftiger Trends im
Antriebsstrangs stehen. Im direkten Zusammenhang stehen Bereich der Wertschöpfung.
Abbildung 8: Vergleich der Motorkonzepte
Quelle Fahrzeug: Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG, Traktionsmotor: Schaeffler AG, Mittlere Motoren: Robert Bosch GmbH,
Art Vorteile Nachteile Fahrzeugbeispiele Kategorie Applikation Spezifikation
Hohe volumetrische und Porsche Taycan, Smart EQ fortwo, Traktions Traktionsmotoren für BEV, PHEV, Spannungsbereich: 48–800 V
Hohe Materialkosten durch
gravimetrische Leistungsdichte VW ID.3, BMW i3, Tesla Model 3, motoren HEV und MHEV Leistungsbereich:
PSM Einsatz seltener Erden in
Hohe Effizienz durch Nissan Leaf, Toyota Prius, Hyundai 5–250 kW
Permanentmagneten
Hochleistungsmagnete IONIQ, Jaguar I-Pace E-Motor-Art:
PSM, ASM, FSM
Anzahl im Fahrzeug: 1–2
Hohe Fertigungskosten aufgrund von Smart EQ forfour, BMW iX3,
FSM Geringe Materialkosten
Quelle: Eigene Darstellung
komplexem Rotordesign Renault ZOE
Mittlere Elektrischer Wechselstromkom- Spannungsbereich: 12–800 V
Motoren pressor, elektrische Lenkung, Leistungsbereich:
Einfaches Design Mercedes-Benz EQC, Audi e-Tron, Anlasser/Lichtmaschine, 300–5.000 W
Hohe Materialkosten durch Kupfer
ASM Guter Wirkungsgrad im Tesla Model S, Model X, Model 3 elektrischer Turbolader/ E-Motor-Art:
für gesteigerte Effizienz
Volllastbetrieb (nur Vorderachse bei 4WD Variante) Supercharger, Kraftstoffpumpe, BLDC, PSM, FSM
Bremskraftverstärker Anzahl im Fahrzeug: 5–8
Tabelle 1: Gegenüberstellung der Motorkonzepte mit Fahrzeugbeispielen
Kleine Sonnendach, elektrische Spannungsbereich: 5–18 V
Kleine Motoren: Robert Bosch GmbH
Motoren Fensterheber, Kofferraumlift, Leistungsbereich:
Türschlösser, klappbare bis zu 300 W
Seitenspiegel, Spiegelverstel- E-Motor-Art: Gleichstrom-
Die drei hier beschriebenen Traktionsmotoren können nen einen wesentlichen Einfluss auf die Dauerleistung im lung, elektrische Parkbremse, Bürstenmotoren und
grundsätzlich in einem breiten Temperaturbereich betrieben Verhältnis zur Maximalleistung (Auer, 2016). Neben der bei Ölpumpe, Wasserpumpe, Kühler, bürstenlose (BLDC)
Scheibenwischer Gleichstrommotoren
werden. Die kurzzeitig maximal mögliche Betriebstempera- allen E-Achsen-Komponenten vorhandenen Gehäuseküh-
Anzahl im Fahrzeug: 15–60
tur liegt zumeist unter 180 °C. Beim PSM ist zu beachten, lung wird die E-Maschine mit Wasser-Glykol und zum Teil Hauptfokus
dass die Permanentmagnete bei einer zu hohen Temperatur mit Öl gekühlt. Eine Wassermantelkühlung mit einem Kühl-
ihre Magnetisierung verlieren und der Motor somit nicht kreislauf im Gehäuse ist bei den meisten E-Maschinen Stan- Abbildung 9: E-Motor-Konzepte und deren Kategorisierung
mehr funktionsfähig ist. Die Kühlleistung hat bei E-Maschi- dard. Zusätzlich kann eine Rotorinnenkühlung erfolgen, bei
18 19Für die drei oben beschriebenen Motorkategorien wurde Vehicle „HEV“, Plug-in-Hybrid Electric Vehicle „PHEV“ als der Permanentmagnet-Synchronmotor. Dieser ist effizienter Starter- und Traktionsmotoren in Abhängigkeit vom
aufgrund der ihnen eindeutig zurechenbaren Motorentypen auch vollelektrische batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV). und leistungsdichter als die Bauformen Asynchronmotor Elektrifizierungsgrad
eine kostenseitige und marktseitige Bewertung in Kapitel 3 Eine detaillierte Beschreibung der Antriebskonzepte wurde und Fremderregter Synchronmotor.
des Themenpapiers vorgenommen. Im Folgenden werden in der Strukturstudie BWe mobil 2019 bereits ausgearbeitet Die Technologie und die Leistung von Traktions- und Starter-
die Kategorien detaillierter dargestellt und es wird eine Aus- und dient hier als Grundlage der weiteren Untersuchung. In die Kategorie Mittlere Motoren fallen E-Motoren im Leis- motoren bzw. Lichtmaschinen unterscheiden sich nach dem
wahl aktueller Anwendungsbeispiele im Automobil be- Wie bereits am Anfang des Kapitels erwähnt, liegt der Fokus tungsspektrum von 300 bis 5.000 Watt. Diese Motoren wer- Elektrifizierungsgrad des Antriebsstrangs (siehe Abbildung
schrieben. Darüber hinaus werden die Anwendungsbeispie- auf den zusätzlich benötigten E-Motoren bei elektrifizierten den beispielsweise für Klimakompressoren und elektrische 11). Konventionelle Verbrennungsmotoren haben in der
le nach Differenzierungsmerkmalen hinsichtlich Antriebsart Fahrzeugen und somit auf den Kategorien Traktionsmotoren Lenkungen eingesetzt. BLDC-Motoren sind im mittleren Regel einen Gleichstrom-Bürstenmotor mit 0,8–1,7 kW und
und Preiskategorie untersucht. und Mittlere Motoren. Kleine Motoren, die größtenteils für Leistungsbereich bereits verbreitet, jedoch wird diese Kate- eine FSM-Lichtmaschine mit 2,5–10 kW, die beide auf
allgemeine Komfortfunktionen im Fahrzeug verbaut sind, gorie weiterhin von Bürstenmotoren dominiert. Auch in der einem 12-V-Spannungslevel basieren. Zur Steigerung der
Unter die Kategorie Traktionsmotoren fallen sämtliche werden aus technischer Sicht nicht weiter betrachtet und im Kategorie Mittlere Motoren bestimmen die Anforderungen Effizienz von reinen Verbrennerfahrzeugen werden für grö-
E-Motoren, die für den Vortrieb des elektrifizierten Fahr- Rahmen der Wertschöpfungsanalyse nur als Cluster aufge- an Effizienz und Verschleiß die Wahl des eingesetzten ßere Energieverbraucher, die bisher über Riemen angetrie-
zeugs benötigt werden. Dazu zählen sowohl Hybridfahrzeu- zeigt. Im Bereich der Traktionsmotoren für elektrisch ange- Motortyps. Bei den Anwendungsfällen sind beispielsweise ben wurden, vermehrt BLDC-Motoren eingesetzt. So wird
ge (Mild Hybrid Electric Vehicle „MHEV“, Hybrid Electric triebene Fahrzeuge (EV) ist die dominierende Motorbauart fahrwerksspezifische Motoren unabhängig von der An- beispielsweise die Verwendung einer rein elektrischen
triebsart eingestuft. Kompressoren für Luftfahrwerke oder Lenkhilfe anstatt einer über den Keilriemen angetriebenen
zur Wank-Stabilisierung werden sowohl in rein elektrischen hydraulischen Servolenkung durch die fortschreitende Elek-
Fahrzeugen als auch in konventionellen Verbrennern vor al- trifizierung im automobilen Sektor möglich.
lem in Fahrzeugen der Oberklasse in gleichem Umfang ver-
Verbrennungsmotor Hybrid Rein elektrisch baut (siehe Abbildung 10). Bei Kraftstoffpumpen oder elekt- Hybride Antriebsstränge, wie Mild-Hybride, haben oftmals
Quellen Kategorien: Traktionsmotoren: Schaeffler AG, Mittlere Motoren: Robert Bosch GmbH, Kleine Motoren: Robert Bosch GmbH; Quellen Fahrzeuge:
Kategorie Motortyp
ICE MHEV, PHEV, HEV BEV
rischen Turboladern hängt es von der Antriebsart ab, ob und zusätzlich zu einem herkömmlichen Starter noch einen so-
in welcher Dimensionierung diese benötigt werden. genannten Startergenerator. Dieser fungiert als unterstüt-
Fokus- zender Antrieb für den Verbrenner sowie als Generator zur
technologien
Die Kategorie Kleine Motoren umfasst sämtliche kleineren Rekuperation der Bewegungsenergie beim Bremsen. Hier-
Motoren, die im Fahrzeug für den Betrieb benötigt werden bei werden PSM-, ASM- oder FSM-Technologien zwischen
und größtenteils bereits in herkömmlichen Verbrennerfahr- 8 und 20 kW eingesetzt. Startergeneratoren von Mild-Hybri-
Traktionsmotoren PSM
zeugen verbaut sind. Ein Beispiel ist hier der Motor zum Be- den werden in der Regel von einer separaten 48-V-Lithium-
trieb einer Wischwasserpumpe. Darüber hinaus werden in Ionen-Batterie gespeist. Da kleine Lithium-Ionen-Batterien für
400- und 800-V-Traktionsmotoren
ASM dieser Kategorie auch Motoren für die Komfortfunktionen, Kaltstarts meist nicht die benötigte Leistung aufbringen kön-
wie beispielsweise elektrische Fensterheber, zugeordnet. nen, sind auch konventionelle Starter und Starterbatterien
48-V-Starter/-Generator
FSM Diese werden ebenfalls unabhängig von der Antriebsart im weiterhin im Fahrzeug verbaut.
Fahrzeug eingesetzt. Mit einer Leistung von bis zu 300 Watt
Mittlere Motoren BLDC Starter werden im Schnitt zwischen 15 und 60 Motoren pro Fahr- Bei Voll- oder Plug-in-Hybriden kann der Verbrennungsmo-
zeug und je nach Ausstattungsvariante verbaut. Für diese tor mit den größeren Lithium-Ionen-Batterien auch durch
ICE: Audi AG, MHEV, PHEV, HEV: Audi AG, BEV: Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG
PSM Elektrischer Kompressor
Anwendungen werden aus Kostengründen meist Bürsten- den Antriebsmotor gestartet werden, wodurch der Starter
FSM Kraftstoffpumpe, elektrischer Turbolader/Supercharger motoren eingesetzt. Für Anwendungen mit geringeren Leis- entfallen kann. Die Antriebsmotoren sind meist PSM, basie-
Bremskraftverstärker, Servolenkung tungsanforderungen, bei denen Effizienz und Verschleiß rend auf einer 400-V-Architektur, und leisten zwischen 30
Luftfederkompressor, Hinterachslenkung, Fahrstabilisierung weniger relevant sind, ist der Bürstenmotor die Technologie und 100 kW. Grundsätzlich ist auch der Einsatz von ASM
mit dem größten Marktanteil. BLDC-Motoren werden hinge- und FSM möglich, jedoch werden aufgrund der beschränk-
Kleine Motoren BLDC Wasserpumpe gen für spezifische Anwendungen mit hoher Nutzungsdauer ten Platzverhältnisse bei Hybridfahrzeugen PSM bevorzugt.
und der damit einhergehenden hohen Anforderung an die
Gleichstrom-
Bürstenmotor Komfortmerkmale: Sitzverstellung, Spiegel, Zentralverriegelung, Fenster, Parken und Handbremse Effizienz, wie beispielsweise bei aktiv mitlenkenden Schein- Für rein batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV) kommen als
werfern, eingesetzt. Antriebsmotoren sowohl PSM als auch ASM und FSM zum
Ölpumpe Einsatz. Typischerweise leisten diese je nach Bauart und
Fahrzeug zwischen 60 und 300 kW und arbeiten basierend
Differenzierung nach Antriebsstrangart Differenzierung nach Preiskategorie auf einer 400- bis 800-V-Architektur. Weil der Verbren-
nungsmotor wegfällt, wird kein separater Starter benötigt.
Abbildung 10: Anwendungsgebiete der unterschiedlichen Motortypen
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