Hohlleiter zum direkten Kühlen der Wicklung von Elektromotoren sind Kupferleiter mit durchgängiger Kavität, durch die das Kühlmedium fließt. (Bild: Hyperdrives)
Der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen ist in das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für rund zwei Jahre geförderte Projekt „Produktionstechnische Befähigung der Hairpin-Stator-Prozesskette zur Verarbeitung von rechteckigen Hohlleitern für die Anwendung in Traktionsantrieben“ (HNTR) gestartet. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Herstellungsverfahren für Hairpin-Statoren von Elektromotoren so zu modifizieren, dass sich künftig rechteckige Hohlleiter verarbeiten lassen.
Der Hairpin-Stator als Komponente von Elektromotoren beeinflusst maßgeblich dessen Leistungsvermögen und Effizienz. Bisherige Konzepte zielen auf eine Kühlung des Wickelkopfes oder des Blechpaketes ab, um so den aktiven Teil der Wicklung indirekt zu kühlen.
Schwerpunktthema: E-Mobility
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Verfahren aus Generatorenbau nicht übertragbar
Der Einsatz von Hohlleitern könnte indes eine direkte Kühlung der Wicklung ermöglichen. Bei Hohlleitern handelt es sich in diesem Zusammenhang um Kupferleiter mit einer durchgängigen Kavität. Äußerer Querschnitt und Höhlung können unterschiedlich ausgeprägt und somit rechteckig, kreisförmig oder andersartig beschaffen sein. Bei direkter Kühlung mithilfe von Hohlleitern durchströmt ein Kühlmedium die Leiter und führt so die im aktiven Teil der Wicklung entstehende Wärme ab. Damit bergen Hohlleiter ein wesentliches Potenzial zur Effizienz- und Leistungssteigerung elektrischer Antriebsmaschinen.
Der Ansatz der direkten Flüssigkeitskühlung mit Hohlleitern existiert bereits im Generatorenbau, wo die Maschinen mit einer Leistung von bis zu 1.800 MW mit Wasserstoff und Reinwasser gekühlt werden. Die Herausforderung im Bereich elektrischer Antriebsmotoren besteht in der anderen Größenordnung, denn allein die Rotordurchmesser von Industriegeneratoren sind bis zu 13-mal größer als die üblicher Elektromotoren. Biege- und Kontaktierverfahren aus dem Generatorenbau zur Herstellung der Statorwicklungen sind daher nicht ohne Weiteres auf die wesentlich kleineren Elektromotoren übertragbar. Eine weitere Herausforderung sind die strengen Qualitätsvorgaben und hohen geforderten Stückzahlen im Automobilsektor.