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Leichtbau

Mit weniger Gewicht stromern: Kunststoffmotor für E-Autos

| Redakteur: Svenja Gelowicz

Ein Motor mit Kunststoffgehäuse, leicht und tauglich für die Großserie: Daran arbeiten Forscher gerade. Über das Projekt „Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse“, mit dem E-Autos deutlich an Gewicht verlieren könnten.

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Die Kunststoffbauweise des E-Motors soll Gewicht sparen.
Die Kunststoffbauweise des E-Motors soll Gewicht sparen.
(Bild: Fraunhofer ICT)

Wenn E-Autos leichter werden sollen, muss auch der Motor abspecken – das geht, indem man ihn zum Beispiel aus faserverstärkten Kunststoffen herstellt. Vor allem beim Gehäuse könnte das leichtere Material das schwerere Metall ersetzen und so das Gewicht von E-Mobilen reduzieren. Das Problem: Kunststoff leitet, anders als zum Beispiel Stahl, kaum Wärme ab. Der Motor kann schnell überhitzen.

Eine Lösung dafür stellen das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und das Karlsruher Institut für Technologie aktuell vor – an einem neuartigen Kühlsystem für Elektromotoren. Das soll den Antrieb auch in puncto Leistungsdichte und Effizienz gegenüber dem Stand der Technik deutlich besser machen.

Der Kühlwasserkreislauf im Stator.
Der Kühlwasserkreislauf im Stator.
(Bild: Fraunhofer ICT)

Das Kooperationsprojekt heißt „Demil“, kurz für „Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse“, in ihm entwickeln die Forscher ein Konzept, dass Stator und Rotor direkt kühlt. 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 ersetzt Runddraht: So funktioniert das Konzept

Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Somit wird ein hoher Teil der elektrischen in mechanische Leistung umgesetzt. Die verbleibenden etwa zehn Prozent der elektrischen Leistung fallen als Verlust in Form von Wärme an. Um den Motor nicht zu überhitzen, wird die Wärme im Stator bislang durch ein metallisches Gehäuse zu einem Kühlmantel mit kaltem Wasser abgeleitet. Die Forscher ersetzen bei „Demil“ den Runddraht durch rechteckigen Flachdraht, den man enger auf den Stator wickeln könne.

Dadurch entstünde mehr Raum für den angrenzenden, neben den Flachdrähten liegenden Kühlkanal. „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“, erklärt Maertens. Der Kühlmantel sei in diesem Konzept nicht mehr erforderlich. Außerdem falle die thermische Trägheit geringer aus, und zusätzlich erreiche der Motor eine höhere Dauerleistung. Und: Durch eine Kühlung des Rotors lasse sich dessen Verlustwärme ebenfalls im Motor abführen.

Leichtbau: faserverstärkte, duromere Kunststoffe im E-Motor

Das heißt für den Leichtbau: Da die Wärme dort abgeleitet wird, wo sie entsteht, kann der ganze Motor samt Gehäuse in Kunststoff gebaut werden. Dadurch wird er leichter und auch einfacher zu fertigen als Aluminiumgehäuse. Auch komplexe Geometrien seien ohne Nachbearbeitung möglich – Kosten und Gewicht würden gespart. Das bisher erforderliche Metall, das als Wärmeleiter diente, könne durch Kunststoff – einen schlechten Wärmeleiter – ersetzt werden.

Dabei setzen die Forscher nach eigenen Angaben auf faserverstärkte, duromere Kunststoffe, die sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber den aggressiven Kühlmitteln auszeichnen würden. Anders als Thermoplaste quellen sie nicht auf, wenn sie mit Chemikalien in Berührung kommen.

Leichtbau-E-Motor: Tauglich für die Großserie

Laut der Forscher wird das Kunststoffgehäuse im automatisierbaren Spritzgießverfahren hergestellt, die Prototypen würden 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 nach eigenen Angaben hinsichtlich seiner Konstruktion und der Herstellungsprozesse so ausgelegt, dass er sich in Großserie produzieren lässt.

Wo steht das Projekt? Der Statoraufbau sei abgeschlossen, das Kühlkonzept wurde experimentell validiert. „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“, sagt Maertens. Auch für die restlichen knapp 20 Prozent gebe es schon Ansätze, beispielsweise durch eine Optimierung der Kühlwasserströmung. Aktuell bauen die Forscher die Rotoren auf, damit sie den Motor in Kürze auf dem Prüfstand des elektrotechnischen Instituts betreiben und im Realbetrieb validieren können.

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