Fraunhofer ICT / Elektromobilität Direktgekühlter Elektromotor aus Kunststoff

Schnittdarstellung des Elektromotors. Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf Einzelzähnen, die mit einem Flachdraht hochkant umwickelt sind.
Schnittdarstellung des Elektromotors. Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf Einzelzähnen, die mit einem Flachdraht hochkant umwickelt sind.

Damit Elektroautos leichter werden, muss auch der Motor »abspecken«. Beispielsweise, indem man ihn aus faserverstärkten Kunststoffen herstellt. Forscher des Fraunhofer ICT und des KIT ein Kühlkonzept entwickelt, sodass sich Kunststoffe als Gehäusematerial einsetzen lassen.

Elektromotor und Batterie bilden die zentralen Elemente des elektrischen Antriebsstrangs. Eine hohe Leistungsdichte, ein geringer Bauraum innerhalb des Elektrofahrzeugs und ein hoher Wirkungsgrad spielen eine besondere Rolle, um eine nachhaltige Mobilität zu gewährleisten. Bei Elektromotoren fallen etwa 10 Prozent der elektrischen Leistung fallen als Verlust in Form von Wärme an. Damit der Motor nicht zu warm wird, ist die Wärme im Stator bislang durch ein metallisches Gehäuse zu einem Kühlmantel mit kaltem Wasser abgeleitet worden.

Im Kooperationsprojekt DEmiL, kurz für »Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse«, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie (ICT) gemeinsam mit Kollegen vom Elektrotechnischen Institut und dem Institut für Fahrzeugsystemtechnik des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein neuartiges Konzept entworfen, bei dem Stator und Rotor direkt gekühlt werden. Dazu ersetzten sie den Runddraht durch rechteckigen Flachdraht. Dieser lässt sich enger auf den Stator wickeln. Dadurch entsteht mehr Raum für den angrenzenden, neben den Flachdrähten liegenden Kühlkanal.

Verluste ableiten, wo sie entstehen

»Die Verlustwärme kann somit durch den innenliegenden Kühlkanal abgeführt werden und muss nicht mehr durch das Metallgehäuse nach außen zu einem Kühlmantel abfließen. Unser Konzept kommt daher ohne solchen Kühlmantel aus. In der weiteren Konsequenz sinkt die thermische Trägheit des Motors, und zusätzlich erreicht er eine höhere Dauerleistung«, erläutert Robert Märtens, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT, den Vorteil dieses Wirkprinzips. Da außerdem der Rotor gekühlt wird, lässt sich auch dessen Verlustwärme direkt abführen.

Da die Wärme dort abgeleitet wird, wo sie entsteht, können die Projektpartner den kompletten Motor und das Gehäuse in Kunststoffbauweise ausführen und damit weitere Vorteile realisieren. »Kunststoffe sind leicht und sie lassen sich einfacher fertigen als Aluminiumgehäuse. Auch komplexe Geometrien sind ohne Nachbearbeitung möglich, sodass wir in Summe einiges an Gewicht und Kosten einsparen«, so Märtens. Das bisher erforderliche Metall, das als Wärmeleiter diente, kann durch Kunststoff – einen schlechten Wärmeleiter – ersetzt werden.

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

Großserientauglicher Ansatz

Das Kunststoffgehäuse wird im automatisierbaren Spritzgießverfahren hergestellt. Die Prototypen werden 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 hinsichtlich seiner Konstruktion und der Herstellungsprozesse so ausgelegt, dass er sich in Großserie produzieren lässt.

Der Statoraufbau ist 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 wegzukühlen. Auch für die verbleibenden knapp 20 Prozent gibt es schon Ansätze, beispielsweise durch eine Optimierung der Kühlwasserströmung. Aktuell werden die Rotoren aufgebaut, sodass wir den Motor in Kürze auf dem Prüfstand des Elektrotechnischen Instituts betreiben und im Realbetrieb validieren können«, resümiert Märtens den Stand des Projekts.