Axialfluss-„Pancake“-Motoren halten mit dem Versprechen einer zwei- bis viermal höheren Leistungsdichte Einzug in Robotergelenke. Die ehrliche, engere und nützlichere Aussage lautet: Sie bieten mehr Drehmoment pro Millimeter axialer Länge, nicht mehr Drehmoment pro Kilogramm – und der Preis dafür zeigt sich in der Rotorträgheit, einer magnetischen Anziehungskraft von zwei Kilonewton und Verlusten, die mit der elektrischen Frequenz steigen. Hier ist die Rechnung, die der Entscheidung zugrunde liegt.

Die Behauptung – ohne schmückende Adjektive

Auf der China International Industry Fair 2026 waren flache Scheibenmotoren für Gelenke allgegenwärtig: in Hüftmodulen, Knien und auf einer wachsenden Auswahl an Axialflussmotoren, die gezielt für Hersteller humanoider Roboter vermarktet wurden. Die dazugehörigen Zahlen folgen einem vertrauten Muster: halbes Volumen und Gewicht bei gleicher Leistung, zwei- bis viermal höhere Leistungsdichte als bei einer herkömmlichen Radialflussmaschine, mehr als 120 Prozent höhere Drehmomentdichte.

Diese Zahlen sind nicht erfunden. Sie sind aber auch nicht vergleichbar. Eine Angabe wie „zwei- bis viermal höher“ ohne Nennung eines Referenzmotors, eines festgelegten Betriebszyklus und einer definierten Kühlbedingung ist Marketingarithmetik, keine technische Datengrundlage. Dieselbe Falle lauert bei Vergleichen des spezifischen Drehmoments: Ein Wert von 100 bis 200 Nm/kg auf Gelenkebene beschreibt eine Baugruppe mit angebautem Getriebe, während ein Wert von 2 bis 5 Nm/kg für einen nackten Motor Magnete und Kupfer ohne Anbauteile beschreibt. Beides stimmt – und die Differenz zwischen den Werten sagt nichts aus.

Beginnen wir daher mit dem einzigen Vergleich, bei dem Gleiches mit Gleichem verglichen wird. Eine Studie aus dem Jahr 2026 in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics optimierte einen Axialflussmotor in Kombination mit einem Zykloidgetriebe für die tragbare Robotik und veröffentlichte eine Tabelle mit konkurrierenden Auslegungen. Der darin vorgestellte Aktuator erreicht aus rund 600 Gramm in einem 33 mm dicken Gehäuse ein Spitzendrehmoment von 45 Nm – etwa 75 Nm/kg. Zwei Radialflussmotoren in derselben Tabelle erreichen rund 90 beziehungsweise 120 Nm/kg. Beim spezifischen Drehmoment schneidet die Axialflussauslegung schlechter ab.

Ihr Vorteil ist die Bauhöhe: 33 mm gegenüber 63 mm und 75 mm bei den Radialflussmotoren. Das ist die einzige belastbare Aussage – und sie ist durchaus überzeugend, nur eben nicht die, die auf dem Banner steht. Sie erklärt auch, warum dieselbe Debatte immer wieder in neuer Form auftaucht: etwa alsvier Stellhebel der Leistungsdichte, bei denen Drehmoment pro Kilogramm und Drehmoment pro Liter in entgegengesetzte Richtungen wirken.

Zwei Skalierungsgesetze erklären den Rest

Der Unterschied ist geometrischer Natur und ergibt sich aus dem Drehmomentintegral. Das Drehmoment jeder elektrischen Maschine entspricht der über die Luftspaltfläche integrierten Schubspannung, multipliziert mit dem Radius, an dem sie wirkt:

T = ∫ σ · 2πr² dr = (2π/3) · σ · R³ · (1 − k³)

Dabei ist k das Verhältnis von Innen- zu Außenradius. Bei konstanter Dicke und konstanter Schubspannung – also bei gleichbleibender Kühlleistung – skaliert das Drehmoment mit der dritten Potenz des Durchmessers. Bei einer Radialflussmaschine wird dieselbe Schubspannung stattdessen über eine zylindrische Fläche integriert, sodass ihr Drehmoment mit D² multipliziert mit der Paketlänge skaliert.

Die praktische Konsequenz ist ein Auslegungshebel, den man berechnen kann, bevor man Metall bearbeitet. Wird der Außendurchmesser eines Gelenkmotors von 80 mm auf 100 mm erhöht, steigt das Drehmoment eines Axialflussmotors um (100/80)³, also um +95 Prozent, ohne dass sich die Dicke ändert. Bei einer Radialflussmaschine ergibt dieselbe Durchmesseränderung (100/80)², also +56 Prozent; um die verbleibende Differenz auszugleichen, ist außerdem eine größere Paketlänge erforderlich. Ein breiter Durchlass schlägt ein langes Blechpaket – das ist die Physik hinter jedem flachen Gelenkmotor auf einer Messe.

Die entscheidende Währung sind axiale Millimeter

Bei humanoiden Gelenken ist die Masse in der Regel keine maßgebliche Einschränkung. Entscheidend sind das Volumen und insbesondere die axiale Baulänge. Ein Knie muss in ein Bein passen, dessen Kontur durch Schienbein, Oberschenkelschale und Knöchel vorgegeben ist. Innerhalb dieses Bauraums muss das axiale Paket den Motor, die Flexspline und den Wellengenerator des Getriebes, zwei Encoder, die Treiberplatine, eine Bremse und den Kabelkanal aufnehmen.

Dreißig Millimeter weniger axiale Baulänge sind daher kein kosmetischer Vorteil. Sie schaffen Platz für einen zweiten Encoder auf der Abtriebsseite, eine breitere Hohlwelle für die Kabelverlegung, eine größere Flexspline bei gleichem Drehmoment oder eine niedrigere Untersetzung. Letztere Möglichkeit macht Axialflussmotoren strategisch interessant und nicht nur kompakt.

Eine niedrigere Untersetzung verbessert Rücktreibbarkeit, Wirkungsgrad und Stoßfestigkeit, erfordert aber ein höheres Motordrehmoment. Der Durchmesser lässt sich am kostengünstigsten kubisch vergrößern, um dieses Drehmoment ohne zusätzliche Baulänge zu erzielen – deshalb tauchen flache Motoren und Gelenke mit niedriger Untersetzung in denselben Auslegungen immer wieder gemeinsam auf.

Kostenpunkt eins: Rotorträgheit, multipliziert mit N²

Ein dünner Scheibenrotor hat um seine Achse ein TrägheitsmomentJ = m·D²/8. Reale Rotoren mit Magneten und Naben liegen 10 bis 30 Prozent darüber. Entscheidend ist jedoch die Skalierung: Bei konstanter Masse wächst das Trägheitsmoment mit dem Quadrat des Durchmessers. Dieselbe Masse in größerem Radius unterzubringen, ist teuer.

Nun kommt das Getriebe hinzu. Das auf den Gelenkabtrieb bezogene Motorträgheitsmoment wird mit dem Quadrat der Untersetzung multipliziert:J_reflected = J_motor × N². Dieser Wert entscheidet darüber, ob sich ein Gelenk durch Auswertung des Motorstroms kraftregeln lässt oder ob ein Abtriebsdrehmomentsensor erforderlich ist, um zu erkennen, was das Gelenk tatsächlich tut.

Lesen Sie die letzte Spalte aufmerksam. Ein Rotor mit großem Durchmesser hinter einem Harmonic-Drive-Getriebe mit 100:1 trägt fünfzehn Kilogramm-Meter zum Quadrat zum scheinbaren Trägheitsmoment des Gelenks bei – ein bis zwei Größenordnungen mehr als das Trägheitsmoment des Beinsegments, das er bewegen soll. Ab diesem Punkt fühlt sich der Aktuator nicht mehr wie ein Muskel an einer Gliedmaße an, sondern wie ein Schwungrad, an das eine Gliedmaße angeschraubt wurde. Kollisionserkennung, Impedanzregelung und alle Regelgesetze, die davon ausgehen, dass die Last das maßgebliche Trägheitsmoment bestimmt, verschlechtern sich. Abhilfe schaffen entweder ein Drehmomentsensor auf der Abtriebsseite oder eine deutlich niedrigere Untersetzung.

Das ist die mit Abstand häufigste Fehlanwendung des Axialflussprinzips.Eine breite Scheibe hinter einer hohen Untersetzung verstärkt genau den Nachteil, den die breite Scheibe verursacht hat. Am besten eignet sich diese Topologie hinter einer Getriebestufe mit 6:1 bis 15:1, bei der N² im zweistelligen Bereich bleibt und der Nachteil des Durchmessers nur einmal statt nochmals quadriert zu Buche schlägt.

Kostenpunkt zwei: Die zwei Kilonewton, die den Luftspalt schließen wollen

Ein flacher Luftspalt ist ein Magnetlager, das niemand konstruiert hat. Der Anpressdruck über den Spalt beträgtp = B²/(2μ₀). Bei einem Luftspalt von 0,8 T über einer Scheibe mit 100 mm Durchmesser – einer Fläche von 7.85 × 10⁻³ m² – ergibt sich eine Anziehungskraft von rund 2,000 newtons pro Luftspaltfläche. Das entspricht einer Kraft von etwa 200 Kilogramm, die den Rotor permanent gegen den Stator presst – bei einer Maschine, deren gesamte Leistung davon abhängt, einen flachen Spalt von weniger als einem Millimeter einzuhalten.

Daraus folgen zwei Konsequenzen. Erstens muss die Lagerung diese Vorspannung zusätzlich zu den äußeren Gelenklasten und Stoßbelastungen aufnehmen, ohne dass sich der Rotor so weit verformt, dass er schleift. Zweitens wird die Steifigkeit des Gehäuses zu einer harten Randbedingung statt zu einer Frage der Gewichtsoptimierung: Eine Abdeckung, die sich bei einem Aufprall bei der Landung um 50 μm durchbiegt, verringert einen Spalt von 250 μm um ein Fünftel.

Die übliche Lösung ist eine Doppelspalt-Topologie – ein Stator zwischen zwei Rotoren oder ein Rotor zwischen zwei Statoren –, bei der sich die beiden Anziehungskräfte nahezu aufheben. Das Lager nimmt dann nur noch die Kräfte aus Ungleichgewicht und Exzentrizität auf. Der Preis: Die Zahl der kritischen Luftspaltflächen verdoppelt sich, die Toleranzen für Parallelität und Konzentrizität werden enger und das Prozessfenster für die Montage kleiner. In einer Fertigungslinie sind das oft die tatsächlichen Kosten der Architektur, nicht die Magnete.

Nehmen Sie die axiale Steifigkeit in N/μm und die Luftspalttoleranz in μm neben den Drehmomentwerten in die Gelenkspezifikation auf. Ein Datenblatt für einen Pancake-Motor, das nur Drehmoment, Masse und Durchmesser aufführt, sagt Ihnen nichts darüber, ob der Motor eine Landung auf dem Knie übersteht.

Kostenpunkt drei: Verluste verlagern sich auf höhere Frequenzen

Flache Maschinen mit hoher Polzahl arbeiten mit hoher elektrischer Frequenz. Die Eisenverluste folgen der Steinmetz-GleichungP = k · f^α · B^β, wobei α ungefähr zwischen 1.5 und 2 liegt: Hystereseverluste steigen linear mit der Frequenz, Wirbelstromverluste mit deren Quadrat. Eine Maschine mit 40 Polen erreicht bei einigen tausend Umdrehungen pro Minute elektrische Frequenzen, bei denen ein dickes Blechpaket zur Heizung wird und der Wechselstromwiderstand der Wicklung deutlich über seinem Gleichstromwert liegt.

Drei Gegenmaßnahmen, jede mit ihren eigenen Kosten:

• Segmentierte Statoren mit dünnen Blechen verringern Wirbelstromverluste, erschweren aber die Wicklung und erhöhen die Kosten pro Drehmomenteinheit.
• Weichmagnetische Verbundwerkstoffe eignen sich für den dreidimensionalen Flusspfad einer Axialflussmaschine, erfordern aber einen Kompromiss zwischen Permeabilität, Verlusten und Formbarkeit.
• Eisenlose Leiterplattenstatoren eliminieren die Eisenverluste vollständig. Eine arXiv-Studie aus dem Jahr 2025 zu einem 19 mm großen Leiterplatten-Axialflussmotor erzielte bei einem Luftspalt von 0.25 mm ein Haltemoment von 158 mN·m und eine um 61.7 Prozent höhere Haltemomentdichte als das Referenzmodell. Die Phaseninduktivität fällt jedoch in den Mikrohenrybereich. Dadurch entstehen starke Stromwelligkeit und harmonische Verzerrungen, sofern der Umrichter nicht mit hoher Schaltfrequenz arbeitet oder die Phase gezielt mit Induktivität versehen wird. Eine niedrige Induktivität bedeutet nicht einen niedrigen Wirkungsgrad, sondern eine andere Herausforderung für den Antrieb. Bei derselben Konstruktionsfamilie wurde mit einem Breitbandlückenwechselrichter ein Wirkungsgrad von 96 Prozent bei 19 N·m und 2,100 rpm nachgewiesen.

Thermisch betrachtet hat der Axialfluss einen unterschätzten Vorteil, der selten in der Broschüre auftaucht: Die Wicklungsköpfe liegen an den Scheibenflächen frei, nahe am Gehäuse, und haben kurze Wärmeleitwege. Genau diese Geometrie sorgt dafür, dass ein Gelenk dauerhaftes Drehmoment statt nur einen drei Sekunden dauernden Spitzenwert bewältigt – der Unterschied zwischen einer Vorführung und einer ganzen Schicht.

Kostenpunkt vier: Die Lieferkette bleibt der begrenzende Faktor

Axialflussmotoren für Gelenke humanoider Roboter gibt es nicht einfach aus dem Katalog. Motoren mit kleinem Durchmesser erfordern kundenspezifische Statorsegmentierung, kundenspezifische konzentrierte Wicklungen, mehrpolige Halbach-Magnetringe mit einer Polbogensteuerung im Gradbereich und spezielle Lehren zur Prüfung der Parallelität des Luftspalts. Die Produktion im Automobilmaßstab hat bewiesen, dass das Fertigungsverfahren funktioniert. Automobiltypische Durchmesser, Drehzahlen und Betriebszyklen entsprechen jedoch nicht den Anforderungen eines Kniegelenks.

Auch die installierte Basis spricht für sich. Mit Stand Oktober 2026 hat kein großer Hersteller humanoider Roboter öffentlich bestätigt, Axialflussmotoren in einem Seriengelenk einzusetzen. Die Belege beschränken sich auf Lieferanten-Roadmaps, Medienberichte über Lieferbeziehungen und eine Welle von Markteinführungen chinesischer Gelenkmotoren auf Messen. Frameless-Radialflussmotoren hinter Planeten- oder Zykloidgetrieben bleiben aus einem wenig aufregenden Grund der Standard: ein Jahrhundert Fertigungserfahrung, verlässliche Zweitlieferanten und Datenblätter, auf deren Grundlage sich konstruieren lässt.

Eine Entscheidungstabelle statt einer Glaubensfrage

Nichts davon macht Axialflussmotoren zu einer schlechten Wahl. Es macht sie zu einer spezifischen Wahl.

Das Muster lässt sich einfach als Regel formulieren: Axialfluss wandelt Durchmesser in axiale Baulänge um – bezahlt wird der Unterschied mit Trägheit. Auslegungen, die Baulänge einsparen müssen und mit der Trägheit zurechtkommen – etwa ein Knie mit niedriger Untersetzung, eine kompakte Hüfte oder ein Laufroboter mit kurzen Beinen –, profitieren tatsächlich davon. Wer dagegen eine hohe Untersetzung und eine große Scheibe kombiniert, zahlt für dieselbe Entscheidung doppelt.

So legt Ti5ROBOT einen Gelenkmotor aus

Wir fertigen integrierte Gelenkmodule und humanoide Aktuatoren. Die Motortopologie wählen wir zuletzt, nicht zuerst. Die bewährte Reihenfolge lautet: Betriebszyklus, dann Dauerdrehmoment, danach das axiale Bauraumbudget, anschließend die Untersetzung und erst dann die Maschine.

Diese Reihenfolge ist wichtig, weil die Werte miteinander zusammenhängen. Ein auf Spitzendrehmoment bei 33 mm ausgelegter Motor besteht einen Dauerdrehmomenttest nicht, wenn der Wärmeleitpfad nachträglich berücksichtigt wurde. Und ein Gelenk mit einer Untersetzung von 100:1 fühlt sich in der Kraftregelung unabhängig von der Motorqualität träge an. UnsereAktuatoren für humanoide Roboter und Leichtbau-Gelenkmodule werden nach diesem Prinzip spezifiziert. Die Baureihe mit Baugröße 30–40 zeigt, wie die Auslegung anhand des axialen Bauraums im unteren Größenbereich aussieht, wo jeder Millimeter mit Encoder und Kabelbaum konkurriert.

Drei Fragen unterscheiden ein echtes Axialflussangebot von einer Präsentationsfolie:

• Bei welcher Dicke, Masse und welchem Betriebszyklus wurde das Drehmoment gemessen? Ein Spitzendrehmoment bei 20 °C über drei Sekunden ist ein anderes Produkt als 45 Nm Dauerdrehmoment bei 40 °C Umgebungstemperatur.
• Welcher Motor dient als Referenz? Für „zwei- bis viermal höher“ müssen eine konkrete Maschine, dieselbe Kühlung und derselbe Messpunkt angegeben werden.
• Wie wird der Luftspalt eingehalten? Lageranordnung, Gehäusesteifigkeit in N/μm, Luftspalttoleranz in μm und der unter Last gemessene axiale Rundlauf.

Liefert ein Anbieter zu allen drei Fragen konkrete Zahlen, ist die Architektur einen Prototyp wert. Sind die Antworten bloß Adjektive, sollte man davon Abstand nehmen.

Worauf es ankommt

Drei Entwicklungen könnten die Rechnung für Axialflussmotoren verbessern, ohne die physikalischen Grundlagen zu ändern. Eine Ausweitung der automobilen Großserienfertigung auf robotergerechte Durchmesser würde den Aufpreis für Sonderwerkzeuge verringern. Fortschritte bei weichmagnetischen Verbundwerkstoffen und Leiterplattenstatoren würden Probleme mit Verlusten und Antrieb zu Routinefragen statt zu Sonderlösungen machen. Würden Breitbandlückenantriebe in Gelenkreglern zum Standard, wäre der Nachteil niedriger Induktivität entschärft und eisenlose Ausführungen könnten nicht nur bei der Bauhöhe, sondern auch beim Wirkungsgrad konkurrieren.

Nichts davon ändert den Zielkonflikt. Durchmesser spart axiale Baulänge; die Trägheit ist der Preis. Erfolg haben werden die Gelenke, deren Entwickler die Rechnung vor der Messe aufgestellt haben – nicht danach.

Quelle: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (2026), Optimierung eines Axialflussmotor-Zykloidaktuators für die tragbare Robotik; arXiv 2509.23561 (2025), Axialflussmotor mit Leiterplattenwicklung und hoher Drehmomentdichte für Mikroroboter; Applied Sciences 15(6):3327 (2025), Auslegung und Validierung eines Axialfluss-PM-Motors; ICIRA 2023, bipedaler Aktuator auf Basis eines Axialflussmotors; Steinmetz-Formulierung für Eisenverluste; Branchenangaben auf der CIIF 2026 und Marktanalysen zu Aktuatoren für humanoide Roboter, Oktober 2026.