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Elektromotor

Forscher entwickeln direktgekühlten E-Motor aus Kunststoff

| Redakteur: Katharina Juschkat

Die Elektromobilität benötigt leichte Fahrzeuge – Forscher des Fraunhofer ICT haben deshalb an einem E-Motor aus Kunststoff getüftelt, der mit einem neuen Kühlsystem ausgerüstet ist.

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Forscher entwickeln einen neuen Elektromotor aus Kunststoff mit neuem Kühlsystem.
Forscher entwickeln einen neuen Elektromotor aus Kunststoff mit neuem Kühlsystem.
(Bild: Fraunhofer ICT)

Für eine bessere Energiebilanz müssen E-Autos leichter werden – und hierzu muss auch der Motor abspecken. Eine Möglichkeit wäre, ihn aus faserverstärkten Kunststoffen herzustellen. Deshalb haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT ein neues Kühlkonzept entwickelt, das den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des Konzepts: Die Leistungsdichte und Effizienz des Antriebs werden gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht.

Direkte Kühlung von Stator und Rotor

Schnittdarstellung des Elektromotors. Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf Einzelzähnen, die mit einem Flachdraht hochkant umwickelt sind.
Schnittdarstellung des Elektromotors. Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf Einzelzähnen, die mit einem Flachdraht hochkant umwickelt sind.
(Bild: Fraunhofer ICT)

Elektromotor und Batterie bilden die zentralen Elemente des elektrischen Antriebsstrangs. Eine hohe Leistungsdichte, ein geringer Bauraum innerhalb des Elektrofahrzeugs und ein hoher Wirkungsgrad spielen eine besondere Rolle, um eine nachhaltige Mobilität zu gewährleisten. Im Kooperationsprojekt „Demil“, kurz für „Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse“, entwickeln Forscher gemeinsam ein neues Konzept, das sich durch die direkte Kühlung von Stator und Rotor auszeichnet.

Robert Maertens, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT, erklärt: „Ein Elektromotor besteht aus einem sich drehenden Rotor und einem feststehenden Stator. Im Stator befinden sich gewickelte Kupferdrähte, durch die Strom fließt. Hier entsteht ein Großteil der elektrischen Verluste. Die eigentliche Innovation unseres Konzepts liegt im Stator.“

Motor erreicht höhere Dauerleistung

Kühlwasserkreislauf im Stator.
Kühlwasserkreislauf im Stator.
(Bild: Fraunhofer ICT)

Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90 %. Somit wird ein hoher Teil der elektrischen in mechanische Leistung umgesetzt. Die verbleibenden etwa 10 % der elektrischen Leistung fallen als Verlust in Form von Wärme an. Um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden, wird die Wärme im Stator bislang durch ein metallisches Gehäuse zu einem Kühlmantel mit kaltem Wasser abgeleitet. Die Forscherteams ersetzen den Runddraht durch rechteckigen Flachdraht, den man enger auf den Stator wickeln kann. Dadurch entsteht mehr Raum für den angrenzenden, neben den Flachdrähten liegenden Kühlkanal.

Der Effekt: Die Verlustwärme kann durch diese Optimierung durch den innenliegenden Kühlkanal abgeführt werden und muss nicht mehr durch das Metallgehäuse nach außen zu einem Kühlmantel transportiert werden. Der Kühlmantel ist in diesem Konzept nicht mehr erforderlich. In der weiteren Konsequenz fällt die thermische Trägheit geringer aus, und zusätzlich erreicht der Motor eine höhere Dauerleistung. Darüber hinaus lässt sich durch eine Kühlung des Rotors dessen Verlustwärme ebenfalls im Motor abführen.

Leichtbau für den Motor

Da die Wärme dort abgeleitet wird, wo sie entsteht, können die Wissenschaftler den kompletten Motor und das Gehäuse in Kunststoffbauweise ausführen und damit weitere Vorteile realisieren. Wissenschaftler Maertens erläutert: „Kunststoffe sind leicht und sie lassen sich einfacher fertigen als Aluminiumgehäuse. Auch komplexe Geometrien sind ohne Nachbearbeitung möglich, sodass wir in Summe einiges an Gewicht und Kosten einsparen.“. Das bisher erforderliche Metall, das als Wärmeleiter diente, kann durch Kunststoff – einem schlechten Wärmeleiter – ersetzt werden.

Die Projektpartner setzen auf faserverstärkte, duromere Kunststoffe, die sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber den aggressiven Kühlmitteln auszeichnen. Anders als Thermoplaste quellen sie nicht auf, wenn sie mit Chemikalien in Berührung kommen.

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E-Motor lässt sich in Großserie fertigen

Das Kunststoffgehäuse wird im automatisierbaren Spritzgießverfahren hergestellt. Die Prototypen werden in einer Zykluszeit von vier Minuten gefertigt. Die Statoren selbst werden im Transfer-Molding-Verfahren mit einer wärmeleitfähigen Epoxidharz-Formmasse umspritzt. Das Forscherteam hat den Elektromotor hinsichtlich seiner Konstruktion und der Herstellungsprozesse so ausgelegt, dass er sich in Großserie produzieren lässt.

Der Statoraufbau ist abgeschlossen, das Kühlkonzept wurde experimentell validiert. Der Wissenschaftler Maertens resümiert den aktuellen Stand des Projektes: „Wir haben in die Kupferwicklungen durch Strom die Wärmemenge eingebracht, die gemäß der Simulation im Realbetrieb anfallen wird. Wir konnten zeigen, dass wir bereits in der Lage sind, mehr als 80 % der erwarteten Verlustleistung herauszukühlen. Auch für die verbleibenden knapp 20 % gibt es schon Ansätze, beispielsweise durch eine Optimierung der Kühlwasserströmung. Aktuell werden die Rotoren aufgebaut, sodass wir den Motor in Kürze auf dem Prüfstand des Elektrotechnischen Instituts betreiben und im Realbetrieb validieren können.“

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