Potentiale durch Kunststoffeinsatz in Elektromotoren

In dieser Arbeit wird auf Basis einer vorhandenen elektromagnetischen Auslegung ein permanent erregter Synchronmotor mit innenliegendem Kühlsystem entwickelt, der mittels großserienfähiger Produktionsprozesse prototypisch aufgebaut und vermessen wird. Es existieren zahlreiche Konzepte und Überlegungen zur effektiveren Kühlung von Elektromotoren als dies nach dem Stand der Technik mittels Kühlhülse oder Ölkühlung möglich ist. Diese werden simulativ oder als vereinfachtes Modell umgesetzt, um die Funktionsfähigkeit nachzuweisen, jedoch lassen sich diese Konzepte oft nicht skalieren, da die notwendigen Produktionsmethoden nicht großserienfähig sind. In dieser Arbeit wird auf Basis eines innenliegenden Kühlkonzepts ein Motor entwickelt, der sich großserienfähig herstellen lässt, anschließend aufgebaut und erprobt. Herzstück der Entwicklung ist der umspritzte Stator, der mit einem Kunststoffgehäuse kombiniert wird, um weiteres Leichtbau- und Integrationspotential zu nutzen. Durch den neuen Ansatz weist der Prototyp eine Dauerleistungsdichte von 5,8 kW/kg auf, was einer Steigerung gegenüber einem Vergleichsmotor mit Kühlhülse um den Faktor 2,6 entspricht. Gleichzeitig konnte das Gewicht um 13 % reduziert werden und durch eine Integration der Lagersitze, der Rotorkühlung und der Phasenstecker die Teileanzahl reduziert werden.

In this thesis, based on an existing electromagnetic design, a permanent magnet synchronous motor with an internal cooling system is developed, prototyped and measured using large-scale production processes. There are numerous concepts and considerations on how to cool electric motors more effectively than is possible with state-of-the-art cooling sleeves or oil cooling. These are implemented simulatively or as a simplified model to validate their functionality, but often lack the ability to mass produce. In this thesis, a motor is developed based on an internal cooling concept that can be manufactured on a large scale, then built and tested. At the heart of the development is the overmoulded stator, which is combined with a plastic housing to exploit further lightweighting and integration potential. Thanks to this new approach, the prototype has a continuous power density of 5.8 kW/kg. This is a 260 % increase over a reference motor with a cooling sleeve. At the same time, the weight has been reduced by 13% and the number of parts reduced by integrating the bearing seats, rotor cooling and phase connectors into the housing.