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Accelerating the transition to low carbon electrified mobility with a disruptive increase in e-machine efficiency at reduced cost

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Ein neuartiges von innen gekühltes Kabel verdoppelt die Leistungsdichte

Bei Elektromotoren heißt mehr Leistungseingabe mehr Leistungsausgabe, bis zu dem Punkt, an dem Kabel durchbrennen. Konventionelle Kabel sind der Schwachpunkt, doch dieses Problem wird jetzt durch eine maßgebliche Verbesserung gelöst.

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Elektromotoren werden vermehrt in Bereichen mit hoher Leistungsanforderung, wie in Autos und Flugzeugen, verwendet. Ein begrenzender Faktor beim Einsatz von Elektromotoren in Fahrzeugen ist ihre Leistungsdichte. Bisher kann diese nicht mit der von Kraftstoffmotoren mithalten. Leistungsdichte bezeichnet die Menge an Leistung, die mit einem bestimmten Volumen an Motorraum erzeugt werden kann. Eine Dampflokomotive hat eine geringe Leistungsdichte, weil sie im Vergleich zur enormen Größe wenig Leistung erzeugt. Motoren von Rennwagen hingegen haben eine sehr hohe Leistungsdichte und produzieren gewaltige Leistung auf kleinem Raum. Die Leistungsdichte hängt bei Elektromotoren im Wesentlichen von der Temperatur ab. Elektrizität, die durch ein Kabel geleitet wird, erzeugt Wärme. Eine höhere Stromstärke führt zu mehr Leistungsdichte, aber auch zu mehr Wärme. An einem bestimmten Punkt brennen dann die Kabel durch. Zur Vorbeugung von Bränden haben elektronische Geräte daher Sicherheitsabschaltungen. Die von Kabeln vertragene Temperatur begrenzt auch die potenzielle Leistungsdichte. Die Kabel zu kühlen würde enorm helfen, doch in der Praxis ist das schwer umzusetzen. Kabel sind elektrisch isoliert, weshalb sie nahezu unmöglich von außen zu kühlen sind.

Von innen gekühlt

Das EU-finanzierte Projekt Capcooltech hat dieses Problem mit einer neuen Art Kabel gelöst. Das Kabel ist hohl und es wird Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet. Im Rahmen des Projekts wurde die neue Kabeltechnologie, die ursprünglich für Automobilanwendungen gedacht war, entwickelt und vermarktet. Spulen – buchstäblich Kabelspulen um einen Metallkern – sind ein wichtiger Bestandteil von Elektromotoren. „Mit hohlen Kabeln, die zu Spulen aufgewickelt werden“, erklärt der Projektkoordinator Michael Naderer, „können wir die Spulen am heißesten Punkt kühlen, direkt im Kupfer.“ Die Forschenden entwickelten auch spezielle Verbindungen, die mit Flüssigkeit gefüllte Kabel mit den Spulen verbinden. Zudem wurden die optimalen Einstellungen für die Windung und Verbindung untersucht.

Mehr Leistungsdichte und Leistung

Die Kühlung ermöglicht eine höhere Stromstärke, was zu einem proportionalen Anstieg der Leistungsdichte führt. Bisher hat das Team die normale Leistung verdoppelt. Das führt auch zu einer knappen Verdopplung der Motorleistung insgesamt. Mehr Leistungsdichte bedeutet mehr Leistung bei weniger Gewicht. Und da genau dies das Ziel der Elektroluftfahrt- und -automobilindustrie ist, sind die Entwicklungen von Capcooltech von großem Interesse für diese Branchen. Die Automobilindustrie wird günstigere, effizientere und leistungsstärkere Motoren herstellen können. „Praktisch bedeutet das“, fügt Naderer hinzu, „dass man ein Elektroauto mit Anhänger einen Berg hochfahren kann, ohne dass das Auto kaputtgeht. Die Luftfahrtindustrie wird Elektrotaxis herstellen können und Drohnen, die schwerere Lasten länger tragen können.“ Die Technologie von Capcooltech ermöglicht es der Fertigungsindustrie auch, durch schnellere und effizientere Maschinen die Produktivität zu steigern. Die Projektforschenden hatten gehofft, in den 48-Volt-Automobilmarkt einzusteigen. Das wird wahrscheinlich der Standard für zukünftige Elektroautos sein und in den kommenden Jahren voraussichtlich einen Wert von Milliarden Euro erreichen. Bisher ist das Team noch nicht in diesen Markt eingestiegen. Die COVID-19-Pandemie durchkreuzte auch andere Projektpläne. Das Team passte sich entsprechend an und sucht nun Alternativmärkte. Das neue Plan sieht die Vollproduktion bis 2024 vor.

Schlüsselbegriffe

Capcooltech, elektrisch, Motoren, Kabel, Kühlung, Leistung, Leistungsdichte

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