Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Die fortschreitende Elektrifizierung und der steigende Einsatz von umrichtergespeisten Elektromotoren stellen Hersteller und Entwickler vor große Herausforderungen. Die effiziente Integration von Direktantrieben sowie die Substitution mechanischer Systeme durch elektrische Lösungen erfordern innovative Ansätze. Insbesondere im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit und Leistungsfähigkeit der Antriebstechnik sind neue Lösungen gefragt. Um die thermischen Grenzen in elektrischen Maschinen zu überwinden, wurde im Rahmen eines Projekts eine einfach anwendbare Flüssigkeits-Leiterkühlung in Zahnspulenwicklungen mit integrierten Kühlkanälen entwickelt. Durch umfangreiche Tests auf unserem Leistungsprüfstand [AM1] konnten wir das Potenzial dieser Technologie zur Steigerung des Drehmoments und der Stromdichte in elektrischen Maschinen erfolgreich demonstrieren. Wir konnten die Stromdichte auf bis zu 51,25 A/mm² steigern und gleichzeitig Drehmomente von bis zu 248,5 Nm erreichen. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmethoden dar.
Extreme Steigerung der Drehmomentdichte durch direkte Leiterkühlung
Mit der zunehmenden Elektrifizierung der Mobilität steigt das Interesse an immer leistungsfähigeren E-Motoren. In vielen Maschinen und Anlagen werden vermehrt umrichtergespeiste Elektromotoren eingesetzt. Neben dem Einsatz von Direktantrieben geht der Trend dabei zurSubstitution klassischer mechanischer Antreiber, wie hydraulische Antriebe, durch Elektroantriebe. Allerdings sind hydraulische Antriebe aufgrund ihrer sehr hohen Drehmomente in bestimmten Bereichen derzeit noch unverzichtbar.
Die thermischen Grenzen elektrischer Maschinen, die insbesondere durch die zulässige Temperatur des Isoliersystems bestimmt werden, sind eine einschränkende Größe bei der Steigerung ihrer Drehmoment- bzw. ihrer Stromdichte. Der Fokus des FuE-Vorhabens lag daher auf dem Ziel, die Drehmomentdichte durch alternative Kühltechnologien erheblich zu steigern. Während bei elektrischen Maschinen typischerweise Luft- oder Wassermantelkühlungen verwendet werden, wurde im Projekt der Einsatz einer direkten Flüssigkeitskühlung von Zahnspulenwicklungen mit integrierten Kühlkanälen verfolgt. Um eine solche Kühlung zu realisieren, setzte das Fraunhofer IFAM neue Gießtechnologien für die Fertigung der elektrischen Spulen ein.
Prototyp einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) mit eingegossenem Kühlsystem
Im Rahmen des Projekts wurde eine elektrische Maschine auf Basis eines »High-Torque«-Motors entworfen, vorausberechnet, mechanisch konzipiert und aufgebaut. Eine systematische Veränderung der geometrischen und elektrischen Parameter der Ausgangsmaschine führte zu weitreichenden Erkenntnissen über die Dimensionierung von PMSM mit hoher Stromdichte und direkter Leiterkühlung. Diese Erkenntnisse flossen in die entstandenen Gestaltungsregeln sowie Vorschriften zur Grobdimensionierung solcher Maschinen ein.
Die Ergebnisse des vorgestellten Projekts zeigen, dass eine Substitution von Hydraulikmotoren möglich ist und somit neue Anwendungsgebiete für elektrische Maschinen erschlossen werden können. Außerdem liefern sie Herstellern und Anwendern in der elektrischen Antriebstechnik präzise Informationen über die Dimensionierung und Berechnung sowie das reale Betriebsverhalten von Synchronmaschinen bei sehr hoher Stromdichte. Dies ist von großer Bedeutung für eine zielsichere Dimensionierung und Berechnung elektrischer Maschinen mit direkter Leiterkühlung und führt zu einer Reduktion von Entwicklungszeit und Kosten. Wir stellen diese Informationen Herstellern und Entwicklern zur Verfügung, um ihnen fundierte Entscheidungen für die Auslegung ihrer Motoren und der Überführung in die Serienproduktion zu unterstützen.
Ihr Partner für die Entwicklung innovativer elektrischer Antriebe
Das Fraunhofer IFAM bietet ein umfassendes Know-how rund um die Entwicklung elektrischer Antriebe. Diese können mobil in Flug- und Fahrzeugen, aber auch stationären Industrieanwendungen zum Einsatz kommen. Mit einem interdisziplinären Team verfügen wir über die notwendigen Kompetenzen in Fertigungstechnik und angewandter Materialforschung sowie in Bereich der Auslegungs- und Entwicklung von elektrischen Maschinen, um unseren Kunden fundierte Entscheidungsgrundlagen, digitale Modelle und gezielte Beratung anzubieten. Unser Ziel besteht darin, Unternehmen bei der Überführung fertigungstechnischer Innovationen aus der Wissenschaft in die industrielle Anwendung zu unterstützen.