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04.02.2019 | Elektromotor | Nachricht | Onlineartikel

Direktgekühlter Elektromotor mit Kunststoff-Gehäuse entwickelt

Autor:
Christiane Köllner

Sollen Elektroautos leichter werden, muss auch der Motor an Gewicht verlieren. Daher haben Fraunhofer-Forscher und Partner ein Kühlkonzept für E-Motoren entwickelt, das den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial ermöglicht. 

Das Fraunhofer Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie (ICT) entwickelt im Projekt Demil (kurz für: Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse) gemeinsam mit dem Elektrotechnischen Institut und dem Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT ein Kühlkonzept für Elektromotoren, das den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial ermöglicht. Dadurch könne auch die Leistungsdichte und Effizienz des Antriebs erhöht werden, so die Forscher.

Das Konzept zeichne sich durch die direkte Kühlung von Stator und Rotor aus. "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 Robert Maertens, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT.

Flachdraht statt Runddraht

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 entstehe mehr Raum für den angrenzenden, neben den Flachdrähten liegenden Kühlkanal, so die Forscher. "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 den Vorteil des neuen Wirkprinzips. 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 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, lasse sich durch Kunststoff – einen schlechten Wärmeleiter – ersetzen.

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 produzieren

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 sei abgeschlossen, das Kühlkonzept experimentell validiert, so die Forscher. "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", resümiert Maertens den Stand des Projekts.

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