Bessere Kühlung, höhere Reichweite

Ein kräftiger Elektromotor wie er etwa in einem Elektroauto eingebaut sein könnte. Es ist ein grauer Zylinder, circa 60 Zentimeter lang mit einem Durchmesser von vielleicht 20 Zentimeter. In seinem Inneren umschließt ein Mantel aus Elektromagneten einen magnetischen Kern, der auf einer Achse steckt - den sogenannten Rotor. Der Mantel dagegen steht fest und nennt sich deshalb Stator. Die Magnetfelder im Stator werden durch den Wechselstrom der Reihe nach umgepolt und ziehen dadurch die Pole des Rotors umlaufend an. Der Rotor dreht sich und so läuft der Motor los.

Elektromagnete bestehen aus einem Metallkern, der mit einem Kupferdraht umwickelt ist. Wenn ein elektrischer Strom durch den Draht fließt, entsteht ein Magnetfeld. Aber der Strom fließt nicht frei. Vielmehr bremst ihn der elektrische Leitungswiderstand ab. Einen Teil der elektrischen Energie benötigt ein Motor deshalb, um seinen eigenen Widerstand zu überwinden. Dabei heizt sich der Kupferdraht auf - wie in einer Glühlampe. So entsteht aber ein Teufelskreis, denn der Leitungswiderstand steigt mit der Erwärmung. Deshalb benötigt der Motor mehr Energie, um seinen eigenen Widerstand zu verkraften. Dadurch erhitzt sich der Draht weiter und damit steigt aber auch der Leitungswiderstand. Immer mehr Energie verbraucht der Motor daher für sich selbst. Er produziert dabei immer größere Hitze, bis er sich am Ende selbst zerstören würde - wenn es keine Kühlung gäbe. Sie hat die Aufgabe, die Betriebstemperatur möglichst niedrig zu halten, denn .

"je effektiver ich eine Maschine kühlen kann, umso stärker kann ich sie belasten",

erläutert Pierre Köhring von der Leipziger Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur.

Große stationäre Motoren haben deshalb massive Kühlrippen. Solche Motoren sind aber zu schwer für den mobilen Einsatz. Hier verwendet man wassergekühlte Motoren. Aber auch die sind recht schwer, denn das am Motor montierte Kühlsystem bringt auch selbst zusätzliches Gewicht auf die Waage.

"Die klassische Wasserkühlung wird ja erzielt durch den Wassermantel, das heißt, ich habe dort wenigstens zwei Gehäuserohre, die ineinander stecken, die sozusagen den Wassermantel ergeben. Das heißt, ich brauche immer ein Gehäuse. So ein Gehäuse baut nach außen auf, braucht also Volumen, und genauso braucht es Masse."

Der Ingenieur machte sich deshalb auf die Suche nach einem Kühlsystem, das mehr leistet, ohne die Motormasse zu vergrößern. Er erreichte dieses Ziel, indem er die Wasserkühlung direkt in den Stator verlegte, also in den Magneten, der den Rotor umschließt. Den Stator selbst konstruierte er dafür völlig neu. Er besteht nicht mehr - wie allgemein üblich - aus einem massiven Zylinder, sondern aus vier aufeinander geklebte Ringscheiben. Die mittleren zwei Scheiben sind so gelocht, dass die Löcher einen wellenförmigen Kanal ergeben. Die beiden äußeren Scheiben verschließen das System. Durch zwei bis zum Rand verlängerte Löcher fließt das Kühlwasser in den Kanal hinein und wieder heraus.

Das System hat gleich zwei Vorteile. Einerseits ist der Motor relativ leicht, weil die sonst massiven Statoren hohl sind. Bis zu 25 Prozent des Gewichts, glaubt Pierre Köhring, könne dadurch eingespart werden. Andererseits ist die Kühlung durch den wellenförmigen Kanal effektiv und zudem läuft das Kühlwasser sehr nahe an den Drahtwicklungen.

"Das heißt, ich bin direkt an den Stellen, wo die Verluste entstehen, es ist zwar keine direkte Leiterkühlung, aber es ist schon sehr nah an der Leiterkühlung dran. In den Kühlscheiben habe ich nahezu die Kühlmitteltemperatur, das heißt, da bin ich also in dem Bereich, wenn er betriebswarm ist, 80 bis 100 Grad."

Herkömmliche wassergekühlte Motoren können sich bis zu 150 Grad aufheizen. Zu dem geringen Gewicht kommt also dank der gesenkten Betriebstemperatur eine höhere Leistung. Allerdings ist der Motor sowohl in der Herstellung als auch in der Anwendung vergleichsweise kompliziert, sagt Pierre Köhring.

"Es ist zu aufwendig einfach für einen Industrieantrieb. Also das ist nicht zu dem gleichen Preis herzustellen wie ein Druckgussgehäuse. Dann ist es im Betrieb natürlich auch ein bisschen schwieriger, sag ich mal. Man muss ja das Wasser zumindest filtern."
Das Anwendungsgebiet für seinen Motor beschränkt er deshalb zunächst auf die Elektromobilität.