Bald schon könnte ein kostengünstiger und gleichzeitig qualitativ hochwertiger Elektromotor aus dem 3D-Drucker keine Zukunftsmusik mehr sein. Mit seiner Entwicklung befasst sich PriMa3D, eines von sieben neuen Forschungsprojekten unter dem Dach der Effizienzfabrik (siehe unten). "Ein Motor aus dem 3D-Drucker bietet zahlreiche Vorteile", erklärt Projektkoordinator Gerd Krause von der Firma Ekra Automatisierungssysteme, "denn mit dieser Produktionsmethode sind völlig neuartige komplexe Geometrien denkbar, zum Beispiel Mikrokanäle zur Kühlung der stromführenden Drähte." Dadurch kann die Wärme gezielt dort abgeführt werden wo sie entsteht, was die Lebensdauer des Motors erhöht.

Bisher werden Elektromotoren aus dünnen Blechen hergestellt, die bearbeitet, passgenau übereinander angebracht und durch Verkleben, Schweißen, Nieten oder Schrauben miteinander verbunden werden. Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten sind die Bleche untereinander durch Lack- oder Oxidschichten elektrisch isoliert. Bei diesem Verfahren verringert sich das magnetische Material pro Volumeneinheit, und die Materialauswahl im Ganzen ist begrenzt. "Dies schränkt die Gestaltungsfreiheit des Motors ein  – auch im Hinblick auf die Kühlung", so Gerd Krause über die Nachteile herkömmlicher Konzepte. Durch das gezielte Einstellen der Materialeigenschaften soll im Rahmen von PriMa3D zudem der magnetische Fluss im Magnetkreis erhöht und gezielt dreidimensional geleitet werden. Weiterhin ist es das Ziel, den ohmschen Widerstand zu senken und damit die Verluste in den Wicklungen zu reduzieren.

Der dreidimensionale Siebdruck ist für die Forscher von PriMa3D deshalb erste Wahl, da er  bereits erfolgreich für elektrotechnische Problemstellungen angewandt wird. Bei dem Verfahren werden eine oder mehrere Druckpasten Schicht für Schicht übereinander gedruckt, sodass ein 'Grünkörper' entsteht, dessen organische Bestandteile mittels einer Wärmebehandlung ausgetrieben werden. Der verbleibende 'Braunkörper' wird einer Sinterbehandlung unterzogen, bei der sich die Pulverteilchen durch Diffusion miteinander verbinden und so ein stabiles Bauteil bilden. Durch diesen  pulvermetallurgischen Ansatz ist es möglich, wesentliche Komponenten von Elektroantrieben endformnah in einem Stück zu fertigen, wobei Strukturfeinheiten bis zu 60 µm bei Bauteilhöhen im zweistelligen Zentimeterbereich angestrebt sind.

Existierende Vorarbeiten, die PriMa3D als Grundlagen für die gesteckten Ziele verwenden kann, belegen, dass es möglich ist, den Siebdruck auf nahezu beliebige Materialsysteme und Anwendungen zu übertragen. Ein kritischer Punkt ist die erreichbare Druckhöhe. Ähnlich hohe Bauteile wurden bisher nur mit Siliziumkarbid erzielt, das eine geringere Dichte und eine bessere Stabilität bei der Wärmebehandlung aufweist als das metallbasierte Material, dessen genaue Zusammensetzung im Rahmen des Forschungsprojekts derzeit erarbeitet wird. Letztlich soll das Material ein gesteigertes Wärmeabgabevermögen aufweisen, die Wärmeleitung an die Oberfläche des Motors verbessern, die Masse reduzieren bei einer gleichzeitig erhöhten Festigkeit der Baugruppen die elektrische Leitfähigkeit der Wicklung erhöhen, die der Isolation verringern und die magnetische Leitfähigkeit steigern beziehungsweise gezielt einstellen. Weiterhin sollen die Isolationsstoffe  dahingehend verbessert werden, dass auch extreme Einsatztemperaturen möglich sind.

Aktuell arbeiten die Forscher an einer Demonstrator-Druckmaschine, deren Konzeption auf dem zweidimensionalen Siebdruck aufbaut und die eine hohe Wiederholgenauigkeit im einstelligen Mikrobereich in allen drei Raumrichtungen bietet. Auch die Siebpositionierung und das Handling der neuen Druckpasten sollen an die Anforderungen des 3D-Drucks angepasst werden. Die elektrischen Wicklungen des Energiewandlers werden dabei mit Hilfe des 3D-Siebdruckverfahrens mit thermisch erheblich belastbaren Isolationsmaterialien versehen und automatisiert in die Hauptelemente integriert.

Im Hinblick auf einen großserientauglichen Produktionsprozess ist letztendlich angestrebt, die Herstellung von Elektromotoren um 25 % günstiger zu machen – und das bei einer beabsichtigten Verdoppelung der Leistungsdichte. Mehr Leistungsdichte bedeutet zudem, dass sich die Reichweite des Fahrzeugs erhöht, was vor allem im Winterhalbjahr von Vorteil ist, wenn im Fahrzeug zusätzlich zu den Motoren weitere elektrische Verbraucher in Betrieb sind.

Die Effizienzfabrik

Die Effizienzfabrik ist eine gemeinsame Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA). Zu den erfolgreich abgeschlossenen 31 Forschungsprojekten im Bereich 'Ressourceneffizienz in der Produktion' ist nun das neue Thema "Serienflexible Technologien für elektrische Antriebe von Fahrzeugen" aus dem Bereich Elektro­mobilität hinzugekommen. Für diese vom Projektträger Karlsruhe betreuten Vorhaben sowie für die Effizienzfabrik stellt das BMBF im Rahmenkonzept 'Forschung für die Produktion von morgen' insgesamt 20 Millionen Euro Forschungsgelder zur Verfügung. Koordiniert werden die Aktivitäten der Effizienzfabrik vom Forschungskuratorium Maschinenbau e V. im VDMA. Bei der inhaltlichen Begleitung im Bereich Ressourceneffizienz in der Produktion unterstützt das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI die Arbeiten.

GroAx: Herstellkosten um 60 % reduzieren

Der Ausgangspunkt für das GroAx-Projekt: Der Dynax 60i, ein Elektromotor mit integrierter Leistungselektronik. Durch seine kompakte Bauweise und das niedrige Systemgewicht von nur 14 kg ist er besonders geeignet als Antrieb für leichte Elektrofahrzeuge oder als Hybrid-Komponente.

© Compact Dynamics

Unter dem Motto "Großserientaugliche Herstellverfahren für neuartige elektrische Axialflussmotoren" sucht das Projekt GroAx nach Möglichkeiten, neue Motorenkonzepte zur Serienreife weiterzuentwickeln, um so die Massenproduktion voranzutreiben. Das Ziel des Verbundprojekts ist es, nicht nur das vom Starnberger Unternehmen Compact Dynamics vorentwickelte Motorkonzept Dynax, sondern den gesamten Produktionsprozess zu optimieren und damit die Herstellungskosten um 60 % zu senken.

Bei Dynax handelt es sich um einen Axialflussmotor mit integrierter Leistungselektronik, der extrem kompakt gebaut und sehr energieeffizient ist. Er lässt sich im Kleinspannungsbereich unterhalb von 60 V betreiben. Dadurch ist er sicherer als herkömmliche Elektromotoren, die bei 300 bis 400 V arbeiten. Das Motorenkonzept zeichnet sich zudem durch ein hohes spezifisches Drehmoment von 75 Nm und einen sehr breiten Drehzahlbereich bis 10.000 Umdrehungen pro Minute aus. Die Maximalleistung von 25 kW stellt einen absoluten Benchmark für Elektromotoren der 48-V-Klasse dar.

Eine technische Besonderheit des Motors ist unter anderem eine tangentiale Wicklung, durch die Wickelköpfe komplett entfallen. Dies reduziert die Verluste des Motors und steigert den Leistungsgrad. Der kleine leichte Antrieb erreicht damit einen System-Wirkungsgrad (Elektromotor und Leistungselektronik) von mehr als 90 %. Allerdings handelt es sich beim  Prozess der Tangentialwicklung um eine komplette  Neuerfindung. "Es existiert hier kein bekannter Prozess aus dem Maschinenbau", erklärt Projektkoordinator Oliver Schwab von Compact Dynamics. Ergo gilt es, einen serienfähigen Prozess für die Verarbeitung einer Hochfrequenz-Kupfer-Litze eigens zu entwickeln, um die Kontaktierung trotz eines Hochtemperatur-Isolierlackes zu ermöglichen.

Die mechanische Funktion des Statorträgers im Motor wird bei dem innovativen Antrieb durch einen integrierten Flüssigkeitskühler ergänzt. So wird die Wärme dort abgeführt, wo sie entsteht – im Bereich der Wicklung. Zugleich besteht die Herausforderung, thermische Spannungen zwischen dem relativ kalten Kühler und den heißen Aktivteilen des Motors auszugleichen. Stator und Tangentialwicklungen werden derzeit vergossen, um einen mechanischen Schutz der weichmagnetischen Bauteile zu erreichen, Wirbelstromeffekte zu reduzieren und die thermische Entwärmung zu verbessern.

Zunächst wurde bei GroAx ein Spritzgussprozess zur Umspritzung des Statorpakets untersucht. Letztlich fiel die Entscheidung, den Spritzguss aus dem Projekt zu nehmen, weil eine fertigungsoptimierte Integration nicht möglich war. Für die Ramp-up-Phase, also den Produktionsanlauf, werden daher vergussähnliche Prozesse (Casting, Druckgelierverfahren) favorisiert.

Der Magnetring für den Rotor soll aus kunststoffgebundenem Magnetpulver in einem Arbeitsgang gepresst und magnetisiert werden. Dies reduziert die Teilezahl in der Produktion drastisch von 3 × 80 Magnetpaaren auf drei Magnetringe. Zudem entfallen zeitlich aufwendige Positionierungs- und Klebeprozesse. Auch an einer vereinfachten Herstellung der Rotorglocke mittels eines 3D-Nasswickelverfahrens wird gearbeitet. Hierbei werden die Magnetringe auf einen Wickeldorn aufgeschoben und anschließend in einem komplexen Wickelverfahren zwei doppelfallende Rotorglocken hergestellt. Als Werkzeug ist lediglich ein einfacher Wickeldorn erforderlich, der im Umlauf wieder verwendbar ist. Die NC-gesteuerte Wickelmaschine ermöglicht eine prozessüberwachte, automatisierte Fertigung.

Ein weiterer Ansatz zur Kostenoptimierung ist der Entfall eines Rotorlagegebers, der beim langsamen Drehen des Antriebs die genaue Positionierung des Rotors zum Stator ermittelt. Für das sanfte Anfahren des Elektrofahrzeugs ohne den teuren und aufwendigen Pol-Lagesensor (Sensor zur Bestimmung der Magnetflussrichtung des Läufers) soll ein bereits existierendes Regelverfahren zur Messung der elektromotorischen Kraft weiterentwickelt werden, bei dem sich die Sättigungseffekte im Statoreisen zur Auswertung nutzen lassen.

ESKAM: Leicht durch Integration der Achsen

Das ESKAM-Achsmodul mit integriertem Elektroantrieb

© ESKAM

Auch das Verbundprojekt ESKAM (Elektrisch Skalierbares Achs-Modul) legt einen Schwerpunkt auf die Verringerung des Gewichts der Elektromotoren. Hintergrund ist: Die aktuell genutzten Synchronmotoren mit Permanentmagneten sind zu schwer, zu teuer und zu groß. "Um das gesamte Fahrzeug leichter zu machen, konzentrieren wir uns im Projekt auf die Optimierung der Antriebsachsen", erläutert Projektkoordinator Wolfgang Pflug von Groschopp. Dazu soll ein Antrieb mit entsprechender Leistungselektronik in das Achsmodul integriert werden.

Bisher gibt es für Fahrzeuge mit reinem Elektroantrieb noch keine im Hinblick auf ein Gesamtkonzept optimierte Antriebsachsen. Bei den bestehenden Lösungen sind die Bauteile und die Baugruppe von angetriebenen Vorder- und Hinterachsen auf die Rahmen­bedingungen von Verbrennungsmotoren angepasst. "Durch den einfachen Austausch des Verbrennungsantriebs gegen einen Elektroantrieb lässt sich jedoch noch keine optimale Leicht­bau-Lösung erzielen", gibt Pflug zu bedenken.

Ziel von ESKAM ist es, das Gewicht des Antriebes auf maximal 100 kg zu begrenzen. Hierzu gilt es schnell drehende E-Maschinen mit entsprechenden Getrieben zu koppeln und in einem gemeinsamen Gehäuse zu integriert – also ein Downsizing des Antriebes mit dem Einsatz so genannter High-Speed-E-Maschinen. "Dabei kommen ausschließlich solche Elektromotoren zum Einsatz, die nicht auf Permanentmagnete beziehungsweise auf sich immer weiter verteuernde seltene Erden wie Neodym und Samarium angewiesen sind", erläutert Wolfgang Pflug.

Im Einzelnen soll der Elektroantrieb aus zwei identischen elektrisch erregten, elektronisch kommutierten Motoren und Getrieben bestehen, die zusammen mit der Leistungselektronik in einem Ge­häuse untergebracht und zu einem Antriebsachsmodul verbaut werden. Da die Bemessungsdrehzahlen der Motoren zwischen 10.000 und 20.000 Umdrehungen pro Minute liegen, finden Übersetzungs­getriebe Verwendung, die für diese hohen Drehzahlen ausgelegt sind. Der Leistungsbereich des Motors soll zwischen 20 und 50 kWh skalierbar sein. Die Herstellkosten des Achsantriebsmodules würden zwischen 1.000 und 2.000 Euro und damit deutlich unter dem aktuellen Durchschnittspreis von mehr als 5.000 Euro liegen.

Autorin: Dr. Claudia Weise ist verantwortlich für die Öffentlichkeitsarbeit der Effizienzfabrik.