Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Elektroantriebe mit extremer Drehmomentdichte

In diesem Projekt sollen die Randbedingungen und Grenzen für den Entwurf und den Einsatz von Elektroantrieben erforscht werden, bei denen durch eine direkte, aber vergleichsweise einfach realisierbare Flüssigkeitskühlung der Ständerwicklung eine extreme Stromdichte und damit Drehmomentdichte ermöglicht wird. Dabei werden Entwürfe für Beispielantriebe erstellt und anschließend optimiert. Die Zusammenhänge zwischen Stromdichte und Drehmomentdichte sollen erforscht werden und Vergleiche zwischen den elektrischen und hydraulischen Antrieben gezogen werden. Dazu werden auch die erreichbaren Systemwirkungsgrade verglichen. Zur Validierung wird ein Beispielantrieb als Funktionsmuster aufgebaut und messtechnisch untersucht. Aus den simulativen und messtechnischen Ergebnissen werden Gestaltungsregeln abgeleitet, die als Leitlinien für die Umsetzung direkt leitergekühlter elektrischer Maschinen durch KMUs dienen sollen.

Gerade für kleine und mittlere Unternehmen sind die besonderen technischen Herausforderungen beim Einsatz direkter Flüssigkeitskühlung für die Ständerwicklung elektrischer Maschinen sowie die dabei zu beachtenden Grenzen und Systemoptima schwer zu überschauen. Das Ergebnis des vorgeschlagenen Forschungsvorhabens soll Herstellern und Anwendern die Information liefern, bis zu welchen Grenzen die Drehmomentdichte durch direkte Flüssigkeitskühlung der Wicklung getrieben werden kann. Darüber hinaus werden Erkenntnisse erarbeitet, ob für eine bestimmte antriebstechnische Aufgabe, die bisher nur durch Hydraulikmotoren gelöst werden konnte, auch elektrische Antriebe ausführbar sind, wie diese Antriebssysteme zu gestalten sind und welche technischen Daten zu erwarten sind.

Durch den konstanten Sachstands-, Ergebnis- und Wissenstransfer zwischen der Forschungseinrichtung, der FVA und den vertretenen Firmen können die KMU ohne Zeitverzug von den aktuellen Erkenntnissen der Forschungsarbeit profitieren und diese in die eigenen Entwicklungsprozesse implementieren.

Ergebniszusammenfassung:

Die Machbarkeit einer PMSM mit Zahnspulenwicklung und direkter Flüssigkeitskühlung der einzelnen Leiter sowie die daraus resultierende Steigerung der Drehmomentdichte wurden in dem Projekt anhand eines Funktionsmusters gezeigt. Sowohl allgemeine Gestaltungsrichtlinien als auch Rechenvorschriften für die elektromagnetische Dimensionierung solch neuartiger Maschinentypen sind Ergebnisse dieses Forschungsprojekt. Ebenso ist die beispielhafte und einfache Gestaltung des Kühlsystems ein Ergebnis dieses Forschungsprojekt. Durch die Kombination der Ergebnisse aus Elektromagnetik und Thermik ist es insbesondere auch für KMUs möglich, PMSM mit Zahnspulenwicklungen und direkt flüssigkeitsgekühlten Leitern zu dimensionieren und zu fertigen.

Die erzielten Steigerungen in der Drehmomentdichte und der Vergleich zu hydraulischen Systemen zeigen, dass eine Substitution von Hydraulikmotoren möglich ist und somit neue Anwendungsgebiete für elektrische Maschinen erschlossen werden können. Zudem ist noch nicht abzusehen, welche weiteren Einsatzmöglichkeiten sich für elektrische Maschinen mit diesen Drehmomentdichten ergeben können. Hinzu kommt, dass das einfache, aber im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmethoden deutlich effizientere Kühlverfahren der direkten Leiterkühlung für eine niedrigere Betriebstemperatur bei vielen hoch-ausgenutzten elektrischen Maschinen sorgen kann und somit Steigerungen in den Systemwirkungsgraden möglich werden. Die Kombination aus hoher Drehmomentdichte und hohem Wirkungsgrad macht die Ergebnisse vor allem auch interessant für Anwendungen im Bereich der Luftfahrt, wo die Einsparung von Gewicht eine große Rolle spielt.