Elektromotor aus Kunststoff

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Ein neues Kühlkonzept macht es möglich: Ein Leichtbau-Elektromotor, dessen Gehäuse aus Kunststoff besteht. Einen metallischen Kühlmantel braucht es nicht.

Sollen Elektroautos leichter werden, muss auch der Motor abspecken. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT entwickelt gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT ein neues Kühlkonzept, das anstelle von Metall den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial ermöglicht. Ein positiver Nebenaspekt dabei: Auch die Leistungsdichte des Antriebs erhöht sich deutlich.

Elektromotor und Batterie bilden die zentralen Elemente des elektrischen Antriebsstrangs. Eine hohe Leistungsdichte, ein geringer Bauraum und ein hoher Wirkungsgrad spielen eine besondere Rolle. Im Kooperationsprojekt Demil, kurz für „Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse“, entwickelt das Fraunhofer ICT gemeinsam mit dem KIT ein Konzept, das sich durch die direkte Kühlung von Stator und Rotor im Elektromotor auszeichnet. „Im Stator entsteht ein Großteil der elektrischen Verluste. Die eigentliche Innovation unseres Konzepts liegt im Stator“, sagt Robert Maertens, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT.

Der runde Draht wird flach

Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad von über 90 %. Somit wird ein hoher Teil der elektrischen in mechanische Leistung umgesetzt. Die verbleibenden 10 % 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 Kühlkanal. „Die Verlustwärme kann so durch den innenliegenden Kühlkanal abgeführt werden und muss nicht mehr über 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. Darüber hinaus lässt sich durch eine Kühlung des Rotors dessen Verlustwärme ebenfalls bereits im Motor abführen.

Motor und Gehäuse aus Kunststoff

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 ersetzt werden.

Die Projektpartner setzen auf faserverstärkte, duromere Kunststoffe, die sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber den aggressiven Kühlmitteln auszeichnen.

Zykluszeit von vier Minuten

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 wärmeleitfähig additivierten 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 80 Prozent der erwarteten Verlustleistung herauszukühlen“, resümiert Maertens den Stand des Projekts. Auch für die verbleibenden knapp 20 % gibt es schon Ansätze, etwa durch eine Optimierung der Kühlwasserströmung. Aktuell werden die Rotoren aufgebaut, sodass der Motor in Kürze auf dem Prüfstand im Realbetrieb validiert wird.

mg

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