Ist es an der Zeit, dass Elektromotoren weiterentwickelt werden? Am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT) und am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist man offensichtlich der Meinung, dass dies der Fall ist. Der Elektromotor ist trotz seines hohen Wirkungsgrades von bis zu 97% (in Abhängigkeit vom Modell) sicherlich noch verbesserungsfähig. Da setzen die beiden Forschungseinrichtungen nun an und lassen ihn abspecken.

Wissenschaftler des ICT und KIT arbeiten an einer Optimierung des Aufbaus herkömmlicher Elektromotoren

Man schaue sich den Aufbau herkömmlicher Elektromotoren an, nehme diese auseinander und suche Ansätze um sie zu verbessern. Dabei fielen den Wissenschaftler/innen ein paar Dinge auf. Zum Einen wäre es bestimmt möglich, den Anteil an leichteren Materialien zu erhöhen. Das Ergebnis war die Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen für das Gehäuse des Motors.

Gleichzeitig änderten die Wissenschaftler/innen das Kühlsystem und integrierten den Kühlwasserkreislauf in den Motor für eine direkte Kühlung am Ort der größten Wärmeerzeugung, bei Stator (feststehend) und Rotor (drehend). Im Stator befindet sich die Kupferspule, durch die der Strom fließt. Das ist der Ursprung der größten elektrischen Verluste und gleichzeitig die Innovation der Entwicklung.

Was sind die Unterschiede im Aufbau zwischen herkömmlichen und den weiterentwickelten Elektromotoren?

Der Stator ist bislang von einem Runddraht umwickelt (Kupferspule), der aber winzige Hohlräume bildet. Dieser wurde durch einen Flachdraht ersetzt, der ohne Hohlräume gewickelt werden kann. Das schafft mehr Platz. Nun kann ein Kühlkanal direkt neben dem Stator und am Rotor die Wärme abführen. Die Wärmeregulierung erfolgt bei herkömmlichen Elektromotoren über ein metallisches Gehäuse, das die Wärme zu einem Kühlmantel mit kaltem Wasser leitet. Mit dem neuen Kühlkanal muss das Gehäuse nicht mehr zwingend aus wärmeleitendem Material bestehen. Das verwendete Material muss natürlich Wärmebeständig sein und die aggressiven Kühlmittel dürfen ihm nichts anhaben können.

Motor mit Flüssigkühlung (blaue “Stäbe im Motor). (Fraunhofer ICT, KIT)

Für das Gehäuse bedeutet dies, dass statt Aluminium (sehr umweltschädlich in der Produktion und Verarbeitung) Kunststoff verwendet werden kann um den Motor noch leichter zu machen. Das Gießen des Kunststoffes in eine beliebige Formen ist sehr viel einfacher, eine Nachbearbeitung ist meist überflüssig. Das senkt zudem die Produktionskosten. Eventuell profitiert davon eines Tages der Endkunde.

Das Titelbild zeigt den Stator mit Flachdraht (Mitte, silber), das Kühlsystem das als Kanäle in den Motor hinein verläuft (blau) und das Kunststoffgehäuse (außen, schwarz).

Die Resultate des neu entwickelten Elektromotors sind überzeugend

Die thermische Trägheit ist deutlich reduziert, das bedeutet, der Motor ist deutlich weniger anfällig für Überhitzung was zu einer höheren Dauerleistung führt. Als schöne Nebeneffekte ist die Leistungsdichte und Effizienz des Antriebs gegenüber dem weit verbreiteten Stand der Technik deutlich erhöht.

Die hohe elektromotorische Kraft führt dazu, dass Fahrzeuge mit den neuen Elektromotoren unverzüglich losfahren. In Experimenten konnte über 80% der Verlustleistung heraus gekühlt werden. Für die letzten 20% gibt es bereits Ansätze, wie etwa die Optimierung der Kühlwasserströmung. Die Großserienfertigung mit einem automatisierten Spritzgießverfahren ist bereits realisiert.

Das ist eine wirklih gute Nachricht, denn jetzt müssen wir Elektromotoren nicht mehr selber bauen so wie in unserem Post beschrieben.