Technologie

Elektromotoren specken ab

04.02.2019 - Neues Kühlkonzept erlaubt den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial.

Sollen Elektroautos leichter werden, könnte etwa der Motor aus faser­verstärkten Kunst­stoffen hergestellt werden. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Tech­nologie ICT in Pfinztal entwickeln gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT ein neues Kühlkonzept, 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.

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 die Forscher ein Konzept, das sich durch die direkte Kühlung von Stator und Rotor auszeichnet. „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“, sagt Fraunhofer-Forscher Robert Maertens.

Elektro­motoren haben einen hohen Wirkungs­grad von über neunzig Prozent. Somit wird ein hoher Teil der elek­trischen in mechanische Leistung umgesetzt. Die verbleibenden etwa zehn Prozent 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. „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 der Forscher. Darüber hinaus lässt sich durch eine Kühlung des Rotors dessen Verlust­wärme ebenfalls im Motor abführen.

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.

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. „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 achtzig Prozent der erwarteten Verlust­leistung heraus­zukühlen. Auch für die verblei­benden knapp zwanzig Prozent 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“, fasst Maertens den Stand des Projekts zusammen.

FhG / JOL

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