Integrationskurs
Moderne Elektrofahrzeuge versuchen mit hohem Aufwand Gewicht zu sparen. Beispiel BMW i3 mit Aluminium-Leichtbau und Kohlefaserkarosse. Eine einfache Gewichtsoptimierung an ganz anderer Stelle verspricht ein um 25% leichterer und dabei kräftigerer Elektromotor
München, 03. Dezember 2012 – Sehen Sie sich einmal Konzepte moderner Elektrofahrzeuge an. Sie versuchen mit hohem Aufwand, Gewicht zu sparen. Beispiel BMW i3 mit Aluminium-Leichtbau-Chassis und Federgewichts-Kohlefaserkarosse: Der Kampf um jedes Kilogramm ist nicht nur in diesem Fall sehr teuer und soll vor allem den Gewichtsnachteil der Batterien kompensieren, um Reichweite und Fahrleistungen zu verbessern. Das ist nötig, um den teuren Autos auch beim Kunden zum Durchbruch zu verhelfen – was sie wieder teurer macht. Diese Leistungs-Gewichts-Preisspirale macht die Hersteller dankbar für jede Einsparung.
Leistungs-Gewichts-Preisspirale
Eine einfache Gewichtsoptimierung an ganz anderer Stelle könnte künftigen Elektrofahrzeugen aller Art beim Abspecken helfen: Ein um 25% leichterer und dabei kräftigerer Elektromotor, wie er auf der Messe SPS IPC Drives in Nürnberg (27. bis 29.11.2012) als Prototyp vorgestellt wurde. Entwickelt von Professor Pierre Köhring von der HTWK Leipzig. Genauer gesagt wurde nicht der Motor selbst dafür weiterentwickelt, sondern die Kühlung seiner Statorbleche. Das sind die Blechscheiben, die den Läufer umgeben und die nach innen gerichteten Wicklungen tragen, mit denen elektromagnetische Kraft auf den Rotor übertragen wird. Klar, dass diese Bauteile innen am wärmsten werden. Nun wird der Motor aber bei der bisher üblichen außenliegenden Wasserkühlung am Rücken des Stators ineffizient global gekühlt. Wassermantel und Kühlmittelumlauf sind kräftig überdimensioniert, damit die Kühlung ausreichend Wirkung bis in den Hotspot des Motors hinein entfalten kann. Der Kühlmantel ist schwer, zudem müssen die Kühlmittelkanäle aufwendig gefräst werden.
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Das sind die Aluminiumscheiben, die zusammengesetzt einen Kanal ergeben, durch den das Kühlwasser ins heiße Herz des Motors strömen kann.
Das Prinzip Integration
Köhring nutzt stattdessen das gleiche Prinzip wie im Verbrennungsmotor: Integration. Das Kühlwasser transportiert die Wärme dort ab, wo sie entsteht. Es gelangt an den Ort seiner Wirkung in hohlen Einzelsegmenten zwischen den Statorblechen, also genau dort, wo die meiste Wärme entsteht. Die Kühlsegmente bestehen aus zwei nichtmagnetischen Aluscheiben außen und zwei gegeneinander versetzten Aluscheiben innen. Übereinandergelegt und wasserdicht verbunden bilden diese einen Kanal, durch den die Kühlflüssigkeit geleitet wird. „Viele hatten uns gewarnt, dass sowohl das Aluminium als auch die Kühlflüssigkeit zu zusätzlichen Wirbelstromverlusten führen würden oder Undichtheiten in den Motor bringen würden. Aber das war nicht der Fall“, so Köhring. Undichte Kühlsegmente waren in der Probephase allerdings wirklich ein Problem: Zunächst fand sich kein Kleber, der bei Druck und Hitze dem aggressiven Kühlmittel standgehalten hat. Erst in Zusammenarbeit mit dem Günther-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung habe man eine Lösung gefunden, wie Köhring sagte.
Überraschung auf dem Prüfstand
„Mit einer solchen Kühlung spart man etwa 25 % des Motorgewichts ein“, sagt Köhring. „Das ist für die Elektromobilität relevant, wo die Kühlung klein und leicht sein muss, und dabei möglichst effizient.“ Auf dem Prüfstand erlebten die Wissenschaftler dann noch eine Überraschung: Der Motor lieferte mit 43 statt 38 kW deutlich mehr Leistung als berechnet. Offenbar macht die neue Kühlmethoden den Motor nicht nur leichter sondern auch effizienter. Gute Voraussetzungen für eine Serienfertigung. Die Kühlung ist bereits patentiert, erste Gespräche mit potenziellen Herstellern werden geführt. (fpi)