Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

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Um die Leistungsdichte von Elektromotoren deutlich steigern zu können, wie es zum Beispiel für Elektrofahrzeuge notwendig ist, sind völlig neue Herangehensweisen notwendig. Dieses Ziel verfolgen Johannes Rudolph und Fabian Lorenz, beide sind wissenschaftliche Mitarbeiter an der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe. Sie wollen mithilfe des 3D-Drucks nicht nur bereits bestehende Teile kopieren, sondern dessen Potential für die Fertigung von elektrischen Maschinen nutzen.

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Elektromotoren werden heute in fast jedem Bereich eingesetzt. Dies betrifft Produkte, mit denen wir im täglichen Leben in Berührung kommen, wie Haushaltsgeräte, Kameras, Laptops und Kraftfahrzeuge. Aber auch Antriebsmaschinen für industrielle Produktionsanlagen kommen ohne Elektromotoren nicht aus. „Schon heute werden Wirkungsgrade von über 90 Prozent erreicht. Verbesserungen sind mit Hilfe der derzeit eingesetzten Fertigungsverfahren kaum noch zu erreichen“, schätzt Prof. Dr. Ralf Werner, Leiter der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe an der Technischen Universität Chemnitz ein. Allenfalls seien Steigerungen höchstens im Bereich von einem Prozent möglich, was aber meist mit steigenden Herstellungskosten und erhöhten Materialaufwand einherginge.

Um die Leistungsdichte von Elektromotoren deutlich steigern zu können, wie es zum Beispiel für Elektrofahrzeuge notwendig ist, sind völlig neue Herangehensweisen notwendig. Dieses Ziel verfolgen Johannes Rudolph und Fabian Lorenz, beide sind wissenschaftliche Mitarbeiter an der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe. Sie wollen mithilfe des 3D-Drucks nicht nur bereits bestehende Teile kopieren, sondern dessen Potenzial für die Fertigung von elektrischen Maschinen nutzen. Mithilfe von metallischen und keramischen Pasten, die durch ein Extrusionsverfahren schichtweise in Form gebracht und anschließend gesintert werden, streben die Chemnitzer Forscher den Druck von vollständigen elektrischen Motoren an. 

Dieser Ansatz bietet gleich mehrere Vorteile: „Die keramische Isolation der elektrischen Leiter erlaubt eine deutlich höhere Einsatztemperatur bei gleichzeitig besserer Wärmeleitung, wodurch sich die Leistungsdichte steigern lässt. Zusätzlich können Kühlkanäle dort integriert werden, wo die Verlustwärme entsteht, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen“, erläutert Rudolph. „Zudem wird durch das von uns weiterentwickelte 3D-Druckverfahren die Herstellung von Maschinentypen möglich, die naturgemäß eine sehr hohe Leistungsdichte haben“, ergänzt Lorenz. Die Chemnitzer haben dabei besonders Transversalflussmaschinen im Blick, deren Produktion bisher zu aufwändig ist. Diese erreichen deutlich höhere Kraftdichten als die derzeit eingesetzten Radialflussmaschinen und benötigen keine teuren Magnete aus seltenen Erden. 

Die Herstellung von keramisch isolierten Spulen ist den beiden Wissenschaftlern bereits gelungen. „Die größte Hürde auf dem Weg zum gedruckten Elektromotor ist damit genommen, da diese Materialpaarung aufgrund der sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Keramik und Kupfer eine besondere Schwierigkeit darstellt“, sagt Werner. Zurzeit arbeiten die Forscher daran, die dritte Komponente – nämlich das magnetisch aktive Eisen – in den Druckprozess zu integrieren. Durch das Verfahren entfallen das aufwändige Paketieren der Elektrobleche und das Einbringen der Wicklung, wie es zurzeit bei der Fertigung von Elektromoren notwendig ist. Gleichzeitig wird auch die dreidimensionale Führung der magnetischen Flüsse, die zur Erzeugung des Drehmoments erforderlich sind, möglich. Neben der Fertigung von elektrischen Maschinen ist der 3D-Multimaterialdruck auch für andere Technikbereiche interessant. So eröffnen sich zum Beispiel bei der Herstellung von Wärmetauschern ganz neue Möglichkeiten, da das Verfahren die Integration von Kühlgeometrien erlaubt, die mit anderen Fertigungstechnologien nicht herstellbar sind. 

Die Ergebnisse ihrer gut anderthalbjährigen Forschung präsentieren die Chemnitzer erstmals vom 24. bis 28. April 2017 auf der Hannover Messe im Rahmen des Gemeinschaftsstandes „Forschung für die Zukunft“ (Halle 2, Stand A38). Dort hoffen Rudolph und Lorenz weitere Interessenten für ihr neues 3D-Multimaterialdruck-Verfahren gewinnen zu können, da die beiden in Zukunft eine Ausgründung aus der TU Chemnitz heraus planen.

Bild: Vordergrund: Schnitt durch eine gesinterte keramisch isolierte Spule. Hintergrund: Fertige Spule mit herausgeführter Kontaktierung. Foto: TU Chemnitz/Johannes Rudolph

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