Reduzierung der Wärme in EV-Motoren durch faserverstärktes Duroplastgehäuse und Stator

Elektroautos leichter zu machen bedeutet auch, das Gewicht des Motors zu reduzieren. Eine Möglichkeit dazu ist der Aufbau aus faserverstärkten Polymermaterialien. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT entwickeln gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT ein neues Kühlkonzept, das den Einsatz von Polymeren als Motorgehäusematerial ermöglicht. Und das ist nicht der einzige Vorteil des neuen Kühlkonzepts:Es erhöht auch die Leistungsdichte und Effizienz des Motors gegenüber dem Stand der Technik deutlich.

Die beiden Schlüsselkomponenten eines elektrischen Antriebsstrangs sind der Elektromotor und die Batterie. Dabei spielen drei Aspekte eine besonders wichtige Rolle, wenn es um den Einsatz eines Elektromotors für umweltfreundliche Mobilität geht:eine hohe Leistungsdichte, eine kompakte Bauweise, die sich passgenau in das Elektrofahrzeug einfügt, und ein hoher Wirkungsgrad. Im Rahmen des DEmiL-Projekts – steht für direktgekühlter Elektromotor mit integriertem Leichtbaugehäuse – Forscher des Fraunhofer ICT in Pfinztal arbeiten jetzt mit dem Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST) und dem Institut für Elektrotechnik (ETI) des Karlsruher Instituts für Technologie zusammen KIT, um einen neuartigen Ansatz zu entwickeln, der eine direkte Kühlung von Stator und Rotor beinhaltet. „Ein Elektromotor besteht aus einem rotierenden Rotor und einem statischen Stator. Der Stator enthält die Kupferwicklungen, durch die der Strom fließt – und hier entstehen die meisten elektrischen Verluste. Das Neue an unserem neuen Konzept liegt im Stator“, sagt Robert Maertens, Forscher am Fraunhofer ICT.

Rechteckiger Flachdraht ersetzt Runddraht

Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90 Prozent, was bedeutet, dass ein hoher Anteil der elektrischen Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Die restlichen 10 Prozent der elektrischen Energie gehen in Form von Wärme verloren. Um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden, wird die Wärme im Stator derzeit durch ein Metallgehäuse zu einer mit Kaltwasser gefüllten Kühlhülse geleitet. In diesem Projekt hat das Forscherteam den Runddraht durch rechteckigen Flachdraht ersetzt, der im Stator enger gewickelt werden kann. Dadurch entsteht mehr Platz für den Kühlkanal neben den Flachdraht-Wicklungssträngen. „Bei diesem optimierten Design kann die Verlustwärme über den Kühlkanal im Inneren des Stators abgeführt werden, so dass der Transport der Wärme durch das Metallgehäuse zu einer äußeren Kühlmanschette entfällt. Tatsächlich benötigen Sie bei diesem Konzept überhaupt keine Kühlmanschette mehr. Es bietet noch weitere Vorteile, darunter eine geringere thermische Trägheit und eine höhere Dauerleistung des Motors“, erläutert Maertens einige der Vorteile des neuen Systems. Darüber hinaus beinhaltet das neue Design eine Rotorkühlungslösung, die es auch ermöglicht, die Verlustwärme des Rotors direkt im Motor abzuführen.

Durch die Ableitung der Wärme in der Nähe des Entstehungsortes konnten die Projektpartner den gesamten Motor und das Gehäuse aus Polymerwerkstoffen aufbauen, was zu weiteren Vorteilen führte. „Polymergehäuse sind leicht und einfacher herzustellen als Aluminiumgehäuse. Sie eignen sich auch für komplexe Geometrien, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist, sodass wir einiges an Gesamtgewicht und Kosten sparen konnten“, sagt Maertens. Das derzeit als Wärmeleiter benötigte Metall kann durch Polymermaterialien ersetzt werden, die im Vergleich zu Metallen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Die Projektpartner entschieden sich für faserverstärkte, duroplastische Kunststoffe ihres Projektpartners Sumitomo Bakelite (SBHPP), die eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Kühlmitteln bieten. Im Gegensatz zu Thermoplasten quellen Duroplaste bei Kontakt mit Chemikalien nicht auf.

Großserientauglich

Das Polymergehäuse wird in einem automatisierten Spritzgussverfahren aus der Phenolformmasse Vyncolit X7700 hergestellt. Die Zykluszeit für die Herstellung der Prototypen beträgt derzeit vier Minuten. Die Statoren selbst werden im Spritzpressverfahren mit einer wärmeleitenden Epoxidharz-Formmasse (Sumikon EME-A730E) umspritzt. Das Forscherteam hat sich für ein Design- und Herstellungsverfahren für den Elektromotor entschieden, das eine Massenproduktion ermöglicht.

Das Team hat die Statormontage bereits abgeschlossen und das Kühlkonzept experimentell validiert. „Wir haben mit elektrischem Strom die Wärmemenge in die Kupferwicklungen eingebracht, die laut Simulation im Realbetrieb entstehen würde. Wir haben festgestellt, dass wir bereits über 80 Prozent der zu erwartenden Verlustwärme abführen können Ansätze für den Umgang mit den noch verbleibenden Wärmeverlusten von knapp 20 Prozent, zum Beispiel durch Optimierung des Kühlmittelflusses.Wir befinden uns jetzt in der Phase der Rotormontage und können den Motor demnächst auf dem Prüfstand des Instituts für Elektrotechnik und validieren sie im Realbetrieb“, fasst Maertens den aktuellen Stand des Projekts zusammen.

Dieser Beitrag ist mit freundlicher Genehmigung von CompositesWorld und Springer Lightweight.design magazine Medienpartnerschaft. Weitere Informationen zu Springer und Lightweight.design finden Sie unter https://www.springerprofessional.de/de/link/12141380