Innovatives faserverstärktes Duroplast-Gehäuse senkt Wärme in E-Motoren

Elektroautos leichter zu machen, bedeutet auch, das Gewicht des Motors zu reduzieren. Ein Weg dazu ist der Bau aus faserverstärkten Polymerwerkstoffen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Chemische Technik (ICT) arbeiten mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an einem neuen Kühlkonzept, das Polymere als Motorgehäusematerial ermöglicht. Und das ist nicht der einzige Vorteil: Das Konzept steigert auch Leistungsdichte und Wirkungsgrad des Motors deutlich gegenüber dem Stand der Technik.

Die beiden Schlüsselkomponenten eines elektrischen Antriebsstrangs sind Elektromotor und Batterie. Drei Aspekte sind für umweltfreundliche Mobilität besonders wichtig: hohe Leistungsdichte, kompakte Bauform, die eng im Elektrofahrzeug integriert ist, und hoher Wirkungsgrad. Im Rahmen des DEmiL-Projekts – eine deutsche Abkürzung für direktgekühlten Elektromotor mit integriertem Leichtbaugehäuse – entwickeln Forscher am Fraunhofer ICT in Pfinztal gemeinsam mit dem Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST) und dem Institut für Elektrotechnik (ETI) am KIT einen neuartigen Ansatz mit Direktkühlung von Stator und Rotor. „Ein Elektromotor besteht aus einem rotierenden Rotor und einem statischen Stator. Der Stator enthält die Kupferwicklungen, durch die der Strom fließt – und hier treten die meisten elektrischen Verluste auf. Das Neuartige unseres Konzepts liegt im Stator“, sagt Robert Maertens, Forscher am Fraunhofer ICT.

Rechteckiger Flachdraht ersetzt Runddraht

Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90 %, d. h. ein großer Teil der elektrischen Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Die verbleibenden ca. 10 % gehen als Wärme verloren. Um Überhitzung zu vermeiden, wird die Wärme im Stator derzeit über ein Metallgehäuse an einen mit kaltem Wasser gefüllten Kühlmantel geleitet. In diesem Projekt haben die Forscher den Runddraht durch rechteckigen Flachdraht ersetzt, der im Stator enger gewickelt werden kann. Dies schafft mehr Platz für den Kühlkanal neben den Flachdraht-Wicklungsphasen. „In diesem optimierten Design können die Wärmeverluste über den Kühlkanal im Stator abgeleitet werden, sodass der Transport der Wärme durch das Metallgehäuse zu einem externen Kühlmantel entfällt. Tatsächlich braucht man in diesem Konzept gar keinen Kühlmantel mehr. Das bietet weitere Vorteile: geringere thermische Trägheit und höhere Dauerdrehmomentleistung“, erklärt Maertens. Zusätzlich integriert das neue Design eine Rotorkühlung, die auch die Rotorverluste direkt im Motor abführt.

Da die Wärme dort abgeführt wird, wo sie entsteht, konnten die Projektpartner den gesamten Motor und das Gehäuse aus Polymerwerkstoffen konstruieren – mit weiteren Vorteilen. „Polymere Gehäuse sind leichter und einfacher herzustellen als Aluminiumgehäuse. Sie erlauben komplexe Geometrien ohne Nachbearbeitung, was erhebliche Gewichts- und Kosteneinsparungen bringt“, so Maertens. Das bisher als Wärmeleiter benötigte Metall kann durch Polymere ersetzt werden, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Metallen aufweisen.

Die Projektpartner entschieden sich für faserverstärkte, duroplastische Kunststoffe ihres Partners Sumitomo Bakelite (SBHPP), die hohe Temperaturbeständigkeit und hohe Beständigkeit gegen aggressive Kühlmittel bieten. Im Gegensatz zu Thermoplasten quellen Duroplaste nicht bei Kontakt mit Chemikalien auf.

Geeignet für Großserienproduktion

Das Polymergehäuse wird in einem automatisierten Spritzgussprozess mit dem Phenolformmassen-Compound Vyncolit X7700 gefertigt. Die Zykluszeit für die Prototypenfertigung beträgt derzeit vier Minuten. Die Statoren werden im Transfermold-Verfahren mit einem wärmeleitenden Epoxidharz-Compound (Sumikon EME-A730E) umspritzt. Das Forscherteam wählte Design und Fertigungsprozess so, dass der Elektromotor großserientauglich ist.

Das Team hat die Stator-Montage abgeschlossen und das Kühlkonzept experimentell validiert. „Wir haben über elektrischen Strom die Wärmemenge in die Kupferwicklungen eingebracht, die laut Simulation im Realbetrieb entstehen würden. Wir konnten bereits über 80 % der erwarteten Wärmeverluste ableiten. Für die verbleibenden knapp 20 % haben wir vielversprechende Ansätze, z. B. durch Optimierung des Kühlmittelstroms. Wir sind nun dabei, die Rotoren zu montieren und werden den Motor bald am Prüfstand des Instituts für Elektrotechnik im Realbetrieb validieren“, fasst Maertens den aktuellen Projektstatus zusammen.

Dieser Beitrag stammt aus der Medienpartnerschaft von CompositesWorld und dem Springer-Magazin lightweight.design. Weitere Informationen zu Springer und lightweight.design unter springerprofessional.de.