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Elektromotor Wie Hohldrähte die Leistungsdichte von E-Motoren steigern

Redakteur: Ute Drescher

Mit innengekühlten Hohldrähten lässt sich die Drehmomentdichte von Elektromotoren verdoppeln – ein „cooler“ Ansatz auch für den Einsatz in Werkzeugmaschinen, um die Bearbeitungsgenauigkeit der Spindel zu steigern.

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Bei der Capcooltech-Technologie bestehen die Spulen aus hohlen Leitern, die von Kühlmittel durchflossen werden.
Bei der Capcooltech-Technologie bestehen die Spulen aus hohlen Leitern, die von Kühlmittel durchflossen werden.
(Bild: Dynamic E-Flow)

Sollen elektrischen Maschinen hohe Leistungen bringen, müssen sie gekühlt werden. Geschieht das nicht, wird die Leistung in der Regel automatisch gedrosselt. Dieser Effekt ist bei allen Elektromotoren unter dem Begriff „Derating“ bekannt. Die Kühlung der Spulen ist daher vielfach der Schlüssel zu hohen Leistungen, vor allem zu hohen Dauerleistungen.

Das Start-up Dynamic E Flow hat für seine Elektromotoren eine direkte Kühltechnik entwickelt, die Capcooltech-Technik. Eine Überhitzung der Spulen ist damit faktisch nicht mehr möglich. Der Grund: Die Spulen bestehen aus hohlen Leitern, die von Kühlmittel durchflossen werden. Angebunden an das Kühlsystem via Pumpe und Wärmetauscher kann der Motor im gleichen Bauraum mindestens 50 % mehr Leistung bringen.

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In vielen Anwendungen rechnen sich die höheren Anschaffungskosten, die durch das Kühlsystem entstehen, etwa weil sich die Produktivität durch höhere Dynamiken erhöht oder weil sich die höhere Leistung besser ausnutzen lässt. „In vielen Fällen können wir durch die signifikante Leistungsdichte die Produktivität optimieren oder andere Verbesserungen ermöglichen, sodass auch bei den höheren Kosten die entsprechende Wertschöpfung überwiegt", erklärt Michael Naderer, CEO des Start-ups.

Wärme aus Motorspindeln abführen

Die neue Technologie bietet sich unter anderem für den Einsatz in Werkzeugmaschinen an. Ihre Herzstücke – die Motorspindeln – gelten als technische Meisterwerke. Um Genauigkeit und Dynamik im fortlaufenden Betrieb auf optimalem Niveau zu halten, werden Statoren und Rotoren in integrierten Motorspindeln aufwendig gekühlt. Bisweilen werden auch Kühlkanäle zwischen Wickelköpfen und Lagern platziert, um die thermischen Einflüssen auf die Mechanik und die Genauigkeit zu minimieren. Gleichzeitig werden Spindeln auf sehr hohe Drehzahlen gebracht oder es wird versucht, die Aggregate so kompakt wie möglich aufzubauen, um Leistungsdichte und Dynamik zu erhöhen. Je kleiner die Spindeln, bei gleicher Leistung, desto größer die Werkstücke, die bearbeitet werden können. Und je dynamischer die Spindeln, desto schneller die Bearbeitung.

Die Capcooltech-Lösung hat das Potenzial, diese Herausforderungen zu meistern. Die Motorspindeln lassen sich einfacher konstruieren, die Wärme kann komplett aus der Spindel abgeführt werden und die thermischen Belastungen werden eliminiert. Als Folge steigt die Bearbeitungsgenauigkeit der Spindel. Gleichzeitig kann die Dynamik durch die geringeren Massen erhöht und die Taktzeit maximiert werden. Die Anbindung der Kühlung kann über die Versorgung der Werkzeugmaschine stattfinden. „Erste Projektspezifikationen sind sehr vielversprechend, sodass wir hier in Zukunft in den Markt treten werden“. kündigt Michaeal Naderer an.

Auch Torquemotoren profitieren

Eine weitere Einsatzmöglichkeit in Werkzeugmaschinen sind die Torquemotoren, die zunehmend in schweren Rundtischen Einsatz finden, um Dynamik und Effizienz zu erhöhen. Die hohen Belastungen der Torquemotoren nahe den Lagern bedingt aber einen Temperatureintrag in die Struktur, der bisweilen entsprechend hohe Verschleiß- und Genauigkeitsprobleme verursachen kann.

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Auf einen Blick: Die Vorteile der Capcool-Technik

Die direkte Kühlung der Leiter führt zu einer Vielzahl von Vorteilen:

  • Leistungsdichte: Die Leistungen der Maschine übertreffen die Leistungen aller alternativ gekühlten elektrischen Maschinen.
  • Effizienz: Dort wo herkömmliche Maschinen schon „durchgebrannt“ sind, fahren die Motoren von Dynamic E Flow mit sehr guten Wirkungsgraden die Leistungen ab.
  • Sekundenschnelle Abkühlung: der Motor wird binnen wenigen Sekunden auf die eingestellte Temperatur herunter gekühlt.
  • Robustheit: Durch das Auslesen der Kühlmitteltemperatur am Ein- und Ausgang kann die exakte Temperatur der Wicklungen identifiziert und eingestellt werden. Damit kann durch eine geeignete Regelung die Dehnung in der Isolation reduziert und die Lebensdauer erhöht werden.
  • Wärmeeffizienz: Die Temperaturen des Kühlmittels (Öl) am Auslass können bis weit über 100° C erreichen, womit man sehr hoch energetische Wärme zur Verfügung hat.
  • Drehmoment: Durch die enormen Ströme können sehr hohe Drehmomentdichten erzeugt werden. Damit kann gegebenenfalls auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden.

Ein Beispiel. Mit der Capcool-Technologie ist es gelungen, bei einem direkt angetriebenen Luftfahrtmotor Leistungsdichten über 20 kW/kg erzielen. Und bei einem Antrieb für E-Mobilität erhöhte sich die Leistungsdichte von 2 kW/kg auf 4 kW/kg.

Auch in diesem Fall sind Capcooltech-Motoren ein wesentlicher Vorteil, da die Wärme komplett abgeführt werden kann. Das macht die Struktur und Lager langlebiger während gleichzeitig Taktzeit und Dynamik erhöht werden können. In bestimmten Fällen lässt sich sogar die möglich Werkstückgröße optimieren und maximieren.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.konstruktionspraxis.de

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