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08-12-2023 | Elektromotor | Kompakt erklärt | Article

Was ist ein Medienspaltmotor?

Author: Christiane Köllner

3:30 min reading time

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Mit Medienspaltmotoren lassen sich Turbolader elektrifizieren und Brennstoffzellen optimieren. Was ein Medienspaltmotor ist und wie er funktioniert, haben wir kompakt erklärt. 

Ein Medienspaltmotor (MSM) ist ein permanenterregter Synchronmotor (PMSM). Hierbei ist der "Innendurchmesser des Stators [...] um ein Vielfaches größer als der Außendurchmesser des Rotors. Durch diese Eigenschaft ist es möglich, einen Medienstrom durch diesen hermetisch abgedichteten Spalt zu befördern", erklären die Springer-Autoren des Entwicklungs- und Engineering-Dienstleisters G+L innotec und des Zulieferers AVL List im Kapitel Potential of air gap motors to realize electrically assisted turbocharging, Cross-Charger – turbo by wire des Buches Internationaler Motorenkongress 2016

Dieser große Luftspalt soll den Transport unterschiedlicher Medien zwischen Rotor und Stator in axialer Richtung ermöglichen. Der Rotormagnet kann hierbei direkt an die Fördereinrichtung integriert werden. So kann ein Strömungsdurchfluss beziehungsweise Transport von Gasen, Aerosolen, Flüssigkeiten, Feststoffsuspensionen und Pasten direkt durch den Medienspalt erfolgen. 

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01-12-2023 | Entwicklung

Medienspaltmotor-Technik als Grundlage der Elektrifizierung

Die Elektrifizierung des Automobils hat sich in den vergangenen Jahren deutlich beschleunigt. Wie G+L Innotec im Folgenden zeigt, stellt die Medienspaltmotor-Technik hierbei eine besonders attraktive Basis für alle Anwendungen dar, bei denen ein Medium, also ein Gas oder eine Flüssigkeit, verdichtet beziehungsweise gepumpt und bei Bedarf besonders sicher transportiert werden muss.

Medienspaltmotor für die Elektrifizierung eines Turboladers

Der Entwicklungsdienstleister G+L innotec hat den Medienspaltmotor als elektrische Unterstützung von Turboladern für Verbrennungsmotoren entwickelt. Die sogenannte Cross-Charger-Aktuatorik soll es ermöglichen, ohne gravierende bauliche Veränderungen einen herkömmlichen Abgasturbolader zu elektrifizieren, wie es im Buchkapitel Elektrifizierung eines Standardturboladers und ihre Auswirkung auf den Verbrennungsmotor, Cross-Charger – turbo by wire der Springer-Autoren Gödeke und Löffler heißt. Herzstück dieser Aktuatorik ist der Medienspaltmotor. MTU hat das Prinzip des Cross-Chargers für Offhighway-Verbrennungsmotoren aufgegriffen. 

Was sind die Vorteile eines Medienspaltmotors? Das Kernproblem "aller turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren besteht im verzögerten Mitteldruckaufbau bei niedrigen Drehzahlen", erklären die Springer-Autoren Gödeke und Prevedel von G+L innotec und AVL List im Artikel Hybridturbolader mit neuer Elektromotorentechnik aus der MTZ 4-2014. Das wirksamste Mittel, positiven Einfluss auf das dynamische Verhalten von turboaufgeladenen Motoren zu nehmen, sei laut den Autoren, im benötigten Zeitpunkt zeitlich befristet Hilfsenergie einzuspeisen. Der Medienspaltmotor der Unternehmen ist ein integraler Bestandteil des Verdichters. Diese kurzfristige elektromotorische Unterstützung soll beim Cross-Charger zu einer wesentlichen Verbesserung des Mitteldruckaufbaus führen.

Für die "Realisierung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers sind die spezifischen Eigenschaften des eingesetzten E-Motors maßgeblich für dessen Erfolg", erklären G+L innotec und AVL List. Mit der Entwicklung des Medienspaltmotors sei es erstmalig gelungen, "E-Motoren zu realisieren, die über ein hohes Drehmoment verfügen und gleichzeitig das rotatorische Massenträgheitsmoment der Turboladerläuferanordnung nur marginal erhöhen", so die Autoren. Mittlerweile seien Medienspaltmotoren mit spezifischen Drehmomenten von über 0,5 Nm/kgmm² realisiert worden, die das Transientverhalten von konventionellen Abgasturboladern erheblich verbessern. Damit könnten aufgeladene Verbrennungsmotoren ein saugmotorisches Verhalten erzielen. Neueste 48-V-Medienspaltmotoren sollen mittlerweile im Nennleistungsbereich einen Wirkungsgrad von über 95 % erreichen.

Nach Angaben von G+L innotec und AVL List ist es für nahezu alle gängigen Turboladergrößen möglich, entsprechende Medienspaltmotoren zu konfigurieren. So lässt sich ein Verbesserungspotenzial erschließen, das in vielen Anwendungsbereichen wie im Zweirad, Pkw, Lkw oder auch Land- und Baumaschinen von Nutzen sei. 

Luftversorgung einer Brennstoffzelle

Eine dem Cross-Charger ähnliche Komponente wird für die Luftversorgung der Brennstoffzelle eingesetzt, erklärt G+L Innotec im MTZ-Artikel Medienspaltmotor-Technik als Grundlage der Elektrifizierung. Der sogenannte Cross-Blower ist ein Anoden-Rezirkulationsgebläse (ARG) für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen. Dieses hochdrehende Radialgebläse beinhaltet dabei zugleich die Funktion eines Wasserabscheiders. Der einfache Aufbau, das Sicherheitsprinzip und der hohe Wirkungsgrad – sowohl der Strömungsmaschine als auch des MSM – sollen niedrige Herstellkosten und kleinstmöglichen Bauraum versprechen.

Der erste Prototyp ist in einem ZIM-Projekt (2020-2022) gemeinsam mit dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) und dem Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) an der Leibniz-Universität Hannover entwickelt worden. Aktuell befindet sich der Cross-Blower in der Weiterentwicklung zur Serie.

Kältemittelverdichter

Das Prinzip der Wasserstoffverdichtung per MSM lässt sich überdies auf den zentralen Bestandteil des Thermomanagementsystems für Elektrofahrzeuge übertragen, denn auch das Kältemittel, ein flüchtiges Gas, muss effizient und sicher verdichtet werden. 

Die Medienspaltmotor-Technik ist damit flexibel einsetzbar. G+L Innotec resümiert: "Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des MSMs, angefangen bei der Elektrifizierung von Turboladern und der Luftversorgung über das ARG für die Brennstoffzelle bis hin zur Kältemittelverdichtung beziehungsweise dem Thermomanagement bei allen Arten von Elektrofahrzeugen, zeigen das Zukunftspotenzial dieser Technik".

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