Auch der Motor bietet Leichtbaupotenzial in der Elektromobilität. Eine Möglichkeit ist, ihn aus faserverstärkten Kunststoffen herzustellen. Das Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT entwickelt im Kooperationsprojekt „Demil“ (Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse) gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT ein neues Kühlkonzept.
Diese Kühlkonzept soll den Einsatz von Kunststoffen als Gehäusematerial ermöglichen. Es zeichnet sich durch die direkte Kühlung von Stator und Rotor aus. Und: Die Leistungsdichte und Effizienz des Antriebs werden gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht.
Motor und Gehäuse aus Kunststoff
Etwa 10 Prozent der elektrischen Leistung sind bei Elektromotoren Energieverlust in Form von Wärme. Damit der Motor nicht überhitzt, wurde diese Wärmeenergie im Stator bislang durch ein metallisches Gehäuse zu einem Kühlmantel mit kaltem Wasser abgeleitet.
Die Forscherteams ersetzen nun Runddraht durch rechteckigen Flachdraht, den man enger auf den Stator wickeln kann. Dadurch entsteht mehr Raum für den angrenzenden, neben den Flachdrähten liegenden Kühlkanal.
„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. Die Verlustwärme kann dank des neue Konzeptes 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.“
(Robert Maertens, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT)
Da die Wärme dort abgeleitet wird, wo sie entsteht, können die Projektpartner den kompletten Motor und das Gehäuse in Kunststoffbauweise ausführen und damit das Gewicht des Motors merklich reduzieren.
Die Herstellung taugt für die Großserie
Die Projektpartner setzen auf faserverstärkte, duromere Kunststoffe ihres Projektpartners SBHPP Vyncolit, die sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber den aggressiven Kühlmitteln auszeichnen.
Das Kunststoffgehäuse wird im automatisierbaren Spritzgießverfahren aus der Phenolharz-Formmasse Vyncolit X7700 hergestellt. Die Prototypen werden in einer Zykluszeit von 4 min gefertigt. Die Statoren selbst werden im Transfer-Molding-Verfahren mit einer wärmeleitfähigen Epoxidharz-Formmasse (Sumikon EME-A730E) umspritzt. Das Forscherteam hat den Elektromotor hinsichtlich seiner Konstruktion und der Herstellungsprozesse so ausgelegt, dass er sich in Großserie produzieren lässt.
„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. Aktuell werden die Rotoren aufgebaut, sodass wir den Motor in Kürze auf dem Prüfstand des Elektrotechnischen Instituts betreiben und im Realbetrieb validieren können.“
(Robert Maertens, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT)
Quelle und weitere Infos: Fraunhofer Institut, Automobil-Industrie, Springer Professional
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