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Leichtbau

Direktgekühlter Elektromotor aus Kunststoff

| Redakteur: Stefanie Michel

Sollen Elektroautos leichter werden, muss auch der Motor abspecken – zum Beispiel durch faserverstärkte Kunststoffe. Das Fraunhofer-ICT und das Karlsruher Institut für Technologie KIT haben ein neues Kühlkonzept entwickelt, das den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial ermöglicht.

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Schnittdarstellung des leichten Elektromotors in Kunststoffbauweise.
Schnittdarstellung des leichten Elektromotors in Kunststoffbauweise.
(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“ („Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse“) entwickeln Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT gemeinsam mit dem Elektrotechnischen Institut und dem Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT ein Konzept, das sich durch die direkte Kühlung von Stator und Rotor auszeichnet. „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“, sagt Robert Maertens, Wissenschaftler am Fraunhofer-ICT.

Flachdraht ersetzt Runddraht bei der Stratorwicklung

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 Forscher 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.

„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“, erläutert Maertens den Vorteil des neuen Wirkprinzips. Darüber hinaus lässt sich durch eine Kühlung des Rotors dessen Verlustwärme ebenfalls im Motor abführen.

Motor und Gehäuse in Kunststoffbauweise möglich

Da die Wärme dort abgeleitet wird, wo sie entsteht, können die Projektpartner den kompletten Motor und das Gehäuse in Kunststoffbauweise ausführen und damit weitere Vorteile realisieren. „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“, so Maertens. Das bisher erforderliche Metall, das als Wärmeleiter diente, kann durch Kunststoff – einen 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.

Elektromotor lässt sich in Großserie herstellen

Das Kunststoffgehäuse wird im automatisierbaren Spritzgießverfahren hergestellt. Die Prototypen entstehen in einer Zykluszeit von vier Minuten. Die Statoren selbst werden im Transfer-Molding-Verfahren mit einer wärmeleitfähigen Epoxidharz-Formmasse umspritzt. Hinsichtlich seiner Konstruktion und seiner Herstellungsprozesse wurde der Elektromotor so ausgelegt, dass er sich in Großserie produzieren lässt. Der Statoraufbau ist abgeschlossen, das Kühlkonzept wurde experimentell validiert.

„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“, resümiert Maertens den Stand des Projekts.

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