Permanentmagnet-Motor: Mit additiver Fertigung zu hoher Leistungsdichte

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Elektrifizierungsexperte Equipmake und Hieta, Spezialist für die additive Fertigung, entwickeln einen Permanentmagnet-Motor mit besonders hoher Leistungsdichte.

• Equipmake, Experte für Elektroantriebe, und Hieta, Spezialist im Bereich der additiven Fertigung, arbeiten gemeinsam an einem neuartigen Elektromotor.

• Unter dem Codenamen Ampere soll er durch additive Fertigung leichter, kleiner und thermisch effizienter als ein herkömmlicher Permanentmagnet-Motor sein.

• Der Elektromotor mit einer besonders hohen Leistungsdichte soll etwa in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtbranche oder dem Schiffbau zum Einsatz kommen.

Der Permanentmagnet-Motor mit nach Angabe der Entwickler bisher höchsten Leistungsdichte entsteht in Großbritannien. Die Elektrifizierungsexperten von Equipmake haben sich mit mit Hieta zusammengetan, einem Spezialisten für die additive Fertigung, um den neuartigen Motor zu entwickeln.

Der neue Motor mit dem Codenamen Ampere soll Equipmake's Erfahrung im Bereich der Elektromotorenkonstruktion und Hieta's Wissen in der Wärmetechnik und der additiven Fertigung in sich vereinen. Das Ziel ist, einen extrem leichten, effizienten und dennoch kostengünstigen Elektromotor mit einer Spitzenleistungsdichte von mehr als 20 kW pro kg zu produzieren -- mehr als viermal so dicht wie ein herkömmlicher Elektromotor.

Der Schlüssel zur Leistung von Ampere ist die Kombination der Motorkonstruktion mit der additiven Fertigung. Damit lässt sich die Metallstruktur des Motors in 3D drucken, anstatt sie aus einem massiven Block herauszufräsen.

Dies bringt viele Vorteile. Erstens wird Metall nur an den Stellen eingesetzt, wo es benötigt wird. Zweitens lassen sich thermisch effiziente dünne Wände und optimierte feine Oberflächendetails direkt mit der Struktur des Motors kombinieren. So lassen sich mehrteilige Baugruppen durch eine einzige, komplexe Architektur ersetze, die eine hohe Kühlfähigkeit aufweist, leicht ist, eine geringe Trägheit besitzt und eine stark erhöhte Rotationsgeschwindigkeit ermöglicht.

Dieser Ansatz bedeutet nicht nur, dass Ampere die geringste Menge an hochfesten Legierungen für die Konstruktion verwendet, sondern auch die geringste Menge an teuren aktiven Materialien -- den Magneten --, um die Kosten so niedrig wie möglich zu halten.

Equipmake und Hieta streben für den Permanentmagnet-Motor Ampere eine Spitzenleistung von 220 kW bei 30'000 U/min und einem Gewicht von weniger als 10 kg an. Im Vergleich dazu würden selbst die besten heute verwendeten Standard-Permanentmagnetmotoren kaum 5 kW pro kg aufbringen können. Der APM 125 von Equipmake, einer der leistungsdichtesten Automobilelektromotoren, der die Speichenarchitektur des Unternehmens zur Maximierung der Kühlleistung nutzt, bietet eine Spitzenleistung von 125 kW bei 12'000 U/min und einem Gewicht von nur 14 kg, was eine Leistungsdichte von knapp 9 kW pro kg ergibt.

Permanentmagnet-Motor: Prototyp soll in einem Jahr in Betrieb gehen

Ende letzten Jahres eröffnete Equipmake seine neue Fabrik in Snetterton, Norfolk, wo das Unternehmen eine komplette Lösung für Elektrofahrzeuge anbietet und die Möglichkeit bietet, alles vom Motor bis hin zu vollständig elektrifizierten Plattformen zu entwerfen, zu testen und herzustellen, um die Automobil- und Luftfahrtindustrie zu unterstützen. Vor Ort entwirft und fertigt das Unternehmen seine voll integrierten Elektrobus-Chassis für einen zunehmend internationalen Kundenkreis. Die Motoren der APM-Reihe werden von den EBus-Fahrgestellen verwendet und werden auch den kommenden Ariel Hipercar antreiben.

Ian Foley, Geschäftsführer von Equipmake, sagt: "Equipmake hat in den letzten Jahren große Sprünge in der Leistung von Elektromotoren gemacht, wobei unsere APM-Reihe von fortschrittlichen Motoren dank ihrer kompakten, leichten Konstruktionen klassenbeste Leistungsdichten bietet. Die Additivfertigung ist der Schlüssel zum nächsten Schritt und wir freuen uns sehr über die Zusammenarbeit mit Hieta bei Ampere. Dieses aufregende Projekt hat das Potenzial, unser Konzept von dem, was ein Elektromotor bieten kann, völlig zu verändern - und mit einem so großen Leistungsumfang in einem so kleinen Paket zu möglichst niedrigen Kosten wird dieser Motor die Elektromobilität weiter revolutionieren, sei es im Automobilbau oder in der Luft- und Raumfahrt. Wir sind Innovate UK für ihre Unterstützung dankbar und freuen uns darauf, die allerersten Ampere-Prototypen sehr bald in Betrieb zu nehmen".

Komplexe, dünnwandige Strukturen durch die additive Fertigung

Andy Jones, Leiter des Innovationsprogramms bei Hieta, sagt: "Ampere bietet die Möglichkeit, sowohl das Wärmemanagement-Know-how von Hieta als auch die Herstellung komplexer, dünnwandiger Strukturen, die durch die additive Fertigung ermöglicht wird, auf das Design von Elektromotoren anzuwenden, um anspruchsvolle Leistungsdichten zu realisieren. Wir reduzieren die Größe der Wärmemanagement-Komponenten typischerweise um das Fünffache im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Das ermöglicht die Wärmeübertragungseigenschaften der nächsten Generation, die in die Rotor-, Stator- und Elektronikkühlung integriert werden sollen. Darüber hinaus werden die Freiheiten der Additivherstellung zum Optimieren der strukturellen Leistung genutzt. Wir integrieren diese Vorteile von Grund auf in das fortschrittliche Elektromotordesign von Equipmake und freuen uns auf die Herstellung und die Tests in naher Zukunft".

Bildquelle: Equipmake

Weitere Informationen: http://equipmake.co.uk und https://www.hieta.biz/?lang=de

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