Elektromotor aus Kunststoff

direktgekuehlter elektromotor aus kunststoff

Elektroautos sollen leichter werden, also muss auch der Motor abspecken. Forscher haben jetzt ein neues Kühlkonzept entwickelt, das den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial ermöglicht. Ein weiterer Vorteil: Leistungsdichte und Antriebseffizient steigen.

Elektromotor und Batterie sind die zentralen Elemente des elektrischen Antriebsstrangs. Wichtig sind die Leistungsdichte, ein geringer Bauraum und ein hoher Wirkungsgrad. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln gegenwärtig 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“, sagt Robert Maertens, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT. „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.“

Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent – sie setzen einen hohen Teil der elektrischen in mechanische Leistung um. Die verbleibenden 10 Prozent der elektrischen Leistung sind Wärmeverluste. Damit der Motor nicht überhitzt, 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 sie enger auf den Stator wickeln können. Dadurch entsteht mehr Raum für den angrenzenden, neben den Flachdrähten liegenden Kühlkanal.

Gewicht und Kosten sparen

„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“, so Maertens „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 lasse 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. Das bringt weitere Vorteile: „Kunststoffe sind leicht und sie lassen sich einfacher fertigen als Aluminiumgehäuse“, sagt Maertens. „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, können die Forscher durch Kunststoff – ein schlechten Wärmeleiter – ersetzen.

Der Statoraufbau ist abgeschlossen, das Kühlkonzept haben die Froscher bereits experimentell validiert. Robert Maertens resümiert: „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. Auch für die verbleibenden knapp 20 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.“

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