Schnittdarstellung des Elektromotors: Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf Einzelzähnen, die mit einem Flachdraht hochkant umwickelt sind. (Bild: Fraunhofer ICT)
Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90 Prozent, aber etwa 10 Prozent der elektrischen Leistung gehen als Wärme verloren. Um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden, wird diese Abwärme im Stator bislang durch ein metallisches Gehäuse zu einem Kühlmantel mit kaltem Wasser abgeleitet. Die Forscher ersetzen nun den Runddraht durch rechteckigen Flachdraht, den man enger auf den Stator wickeln kann. Dadurch entsteht mehr Raum für den angrenzenden, neben den Flachdrähten liegenden Kühlkanal. Die Verlustwärme kann durch diese Optimierung durch den innenliegenden Kühlkanal abgeführt werden – sie muss also nicht mehr durch das Metallgehäuse nach außen zu einem Kühlmantel transportiert werden. „Der Kühlmantel ist in diesem Konzept nicht mehr erforderlich“, erklärt Robert Maertens vom Fraunhofer ICT. „In der weiteren Konsequenz fällt die thermische Trägheit geringer aus, und zusätzlich erreicht der Motor eine höhere Dauerleistung.“
Kühlwasserkreis-lauf im Stator. Fraunhofer ICT
Komplexe Motorgeometrien ohne Nachbearbeitung
Mehr als 80 Prozent der Verlustleistung lassen sich mit diesem Kühlkonzept bislang herauskühlen; durch eine optimierte Kühlwasserströmung könnte dieser Wert weiter verbessert werden. Weil die Wärme an ihrem Entstehungsort abgeleitet wird, kann der komplette Motor und das Gehäuse aus Kunststoff gefertigt werden anstatt aus Aluminium. Auch komplexe Geometrien sind dadurch ohne Nachbearbeitung möglich, sodass einiges an Gewicht und Kosten eingespart wird.
Die Projektpartner setzen auf faserverstärkte, thermodure Kunststoffe (Vyncolit von SBHPP), die beständig gegen hohe Temperaturen und aggressive Kühlmittel sind. Das Kunststoffgehäuse wird im automatisierbaren Spritzgießverfahren in vier Minuten (Zykluszeit) 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.
(dw)
