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Forschung Gekühlte Hohlleiter für effiziente Elektromotoren

Von Sven Prawitz 2 min Lesedauer

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OSWALD Elektromotoren GmbH
invenio AG
AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Forscher der RWTH Aachen entwickeln eine neue Kühlmethode für Elektromotoren. Statt das Blechpaket von außen zu kühlen, soll Kühlflüssigkeit direkt durch Hohlräume in den Kupferleitern fließen.

Forscher arbeiten an einer Methode, Hohlleiter für E-Auto-Elektromotoren zu nutzen.(Bild: hyperdrives GmbH)
Forscher arbeiten an einer Methode, Hohlleiter für E-Auto-Elektromotoren zu nutzen.
(Bild: hyperdrives GmbH)

Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen hat ein neues Forschungsprojekt begonnen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert das Vorhaben für etwa zwei Jahre. Das Projekt trägt den Namen „Produktionstechnische Befähigung der Hairpin-Stator-Prozesskette zur Verarbeitung von rechteckigen Hohlleitern für die Anwendung in Traktionsantrieben“. Die Forscher wollen die Herstellungsverfahren für Hairpin-Statoren von E-Motoren weiterentwickeln. Sie streben die Verarbeitung rechteckiger Hohlleiter an. Die Hohlleiter ermöglichen eine direkte Kühlung der Maschine anstelle der bisherigen indirekten Kühlverfahren.

Der Hairpin-Stator bestimmt maßgeblich das Leistungsvermögen und die Effizienz von Elektromotoren. Die bisherigen Konzepte kühlen den Wickelkopf oder das Blechpaket. Auf diese Weise kühlen sie indirekt den aktiven Teil der Wicklung. Professor Achim Kampker, der Leiter des Lehrstuhls, betont: „Die thermische Auslegung von Elektromotoren gehört zu den aktuellen Herausforderungen in der E-Mobilitäts-Produktion.“ Dies gelte insbesondere, wenn die Kompaktheit und Leistungsfähigkeit erhalten bleiben sollen.

Kühlmedium fließt direkt durch die Kupferleiter

Hohlleiter ermöglichen hingegen eine direkte Kühlung der Wicklung. Hohlleiter sind Kupferleiter mit einer durchgängigen Kavität. Der äußere Querschnitt und die Höhlung können verschiedene Formen annehmen. Sie können rechteckig, kreisförmig oder andersartig beschaffen sein. Bei der direkten Kühlung fließt ein Kühlmedium durch die Leiter. Dieses führt die entstehende Wärme aus dem aktiven Teil der Wicklung ab. Till Backes, der Projektverantwortliche, sagt: „Hohlleiter bieten ein wesentliches Potenzial zur Effizienz- und Leistungssteigerung elektrischer Antriebsmaschinen.“

Die direkte Flüssigkeitskühlung mit Hohlleitern nutzen Hersteller bereits im Generatorenbau. Dort kühlen sie die Maschinen mit einer Leistung von bis zu 1.800 Megawatt mit Wasserstoff und Reinwasser. Die Herausforderung bei elektrischen Antriebsmotoren liegt in der anderen Größenordnung. Die Rotordurchmesser von Industriegeneratoren sind bis zu dreizehnmal größer als die von üblichen Elektromotoren. Prof. Kampker erklärt: „Die Biege- und Kontaktierverfahren aus dem Generatorenbau lassen sich nicht einfach übertragen.“ Dies gelte besonders wegen der strengen Qualitätsvorgaben und hohen Stückzahlen im Automobilsektor.

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