Zum Patent angemeldetes Herstellungsverfahren für Elektromotorgehäuse bietet neue Chancen

AionaCast ist seit einem Jahrzehnt Vertriebspartner internationaler Gießereien im deutschsprachigen Raum. Jetzt macht sich das schwäbische Unternehmen daran, den Herstellungsprozess für Elektromotorgehäuse mit einer zum Patent angemeldeten Innovation zu revolutionieren. Ein neuartiges aus Aluminium gegossenes Gehäuse für Traktionselektromotoren für den Einsatz in PKW und LKW für xEV soll die Kühlleistung erhöhen, das Gewicht reduzieren, ein Risiko einer Undichtigkeit ausschließen und zudem kostengünstiger sein.

Das Verfahren ist die perfekte Kombination zweier etablierter Produktionsverfahren. Ein walzgeschweißtes Blech (englisch: Roll Bond Core, kurz RoBoC) wird ein- oder beidseitig mit ca. 100 bar Druckluft aufgeblasen, sodass Kühlkanäle in der gewohnten Dimensionierung entstehen.

Dieser Kern wird in ein Kokillenguss-Werkzeug gelegt und mit Aluminium umgossen. Während des Gießvorgangs wird von innen durch die bereits bestehenden Kanäle temperiert, sodass eine Deformation oder Aufschmelzung unterbunden wird. Das Ergebnis ist ein ins Gehäuse integriertes Metallblech mit denen für die Kühlung der E-Maschine benötigten Strukturen.

Optimiertes Kühllayout vermeidet Hot-Spots

Das Kühlkanallayout kann in einer Helixform dargestellt werden. Somit ist der heißeste Kanalabschnitt zwischen dem kältesten und zweitkältesten Kanalbereich eingebettet. Im Ergebnis liegt eine homogene Temperaturverteilung ohne Hot-Spot im Motorbetrieb vor.

Dieses Design ist im klassischen 2-Schalendesign (z.B. im Druckguss) nicht darstellbar, da es aufgrund von Überströmungen von einem zum anderen Kanalbereich einen thermischen Kurzschluss geben würde. Je nach Kundenwunsch sind aber auch mäanderförmig oder flächige Kanallayouts realisierbar. Die Abdichtung gegenüber Kühlwasseraustritt wird mittels des in sich geschlossenem Roll Bond Cores gewährleistet und ist somit nicht mehr abhängig von der Gussqualität.

Eine teure Helium Lecktestprüfung am Fertigbauteil, mit ggf. sehr hohem Verlust an Wertschöpfung, ist nicht mehr erforderlich. Eine Montage, wie bei dem 2-Schalendesign erforderlich, entfällt vollständig.

Die zweite Generation erhöht die Effizienz weiter

AionaCast hat mittels „Proof of Concept“ den Machbarkeitsnachweis erbracht. Dabei wurde noch wenig Augenmerk auf die Querschnitte für das Kühlmedium und die Gewichtsreduzierung gelegt. Jetzt arbeitet das Team an der Generation 2. Hier steht das eingelegte und aufgeblasene Blech im direkten Kontakt mit dem Stator, welches die Effizienz abermals erhöht und das Gewicht senkt.

Dieses Konzept ermöglicht es, die Wandstärke zwischen Stator und wasserführendem Kanal von ca. 5 auf bis zu 1,5 mm zu reduzieren. Diese Wandstärkenreduzierung spiegelt sich außerdem in dem um ca. 1 kg reduzierten Gesamtgewicht des Elektromotorgehäuses für einen typischen BEV-Traktionsmotor wider.

Ferner reduziert sich die Reaktionszeit aus dem Zusammenspiel der Optimierungen deutlich. Für die Präsentation der Leistungsfähigkeit des Systems wurde eine CFD Simulation von einem bestehenden Traktionsmotor eines großen OEMs mit der RoBoC Gen2 Entwicklung verglichen. Die Zeit für die Temperaturreduzierung von 60° auf 40°C im Stator konnte um ca. 70% reduziert werden.

Als angenehmer Nebeneffekt ist auch die signifikant reduzierte Gieß-Prozessdauer anzusehen, bei der die Zeit bis zur Bauteilentnahme aus dem Gießwerkzeug aufgrund direkter Kühlung des Aluminiumgussteils von Innen deutlich reduziert werden kann.

Jürgen Pohl (Geschäftsführer AionaCast) fast die vielfältigen Vorteile des RoBoC Generation 2 Konzeptes zusammen:

Die Vorteile im Überblick:

Das Helix Design und der geringere Abstand zwischen Stator und Kühlmedium führt zu einer höheren thermischen Effizienz.
Die Dichtigkeit des Kühlwasserkanals ist unabhängig von der Gießqualität. Konzeptbedingt entfallen Dichtungen komplett und aufgrund des nicht vorhandenen Kernsands gibt es keine Restschmutzproblematik. Dies macht diese Innovation betriebssicherer als konventionelle Systeme.
Um hier nur einige Kostenvorteile aufzuzählen, wie der Entfall der Montage (2-Schalendesign), der fehlende Sandkern erübrigt ein Aufarbeiten und Verdeckeln der Kernmarken, mehrere Qualitätsprüfungen entfallen und der nicht zu vernachlässigende kürzere Gießzyklus macht die Erfindung wettbewerbsfähig.

Für die weitere Entwicklung (Prototypen) konnte der Patentinhaber AionaCast, der auch für das Projektmanagement verantwortlich ist, namhafte Partner für die Modifikation eines Bosch-Seriengehäuses gewinnen:

Kupral S.p.A. (Italien) / Gießtechnologie
voxeljet AG (Germany) / 3D-gedruckte Formen für Kernpaket
LPM S.p.A. (Italien): Gießereiausrüstung
Peter Prinzing GmbH (Deutschland): Roll-Bond-Biegen

In Anbetracht von ca. 75 Millionen zu produzierender Traktionselektromotoren ab 2030 sieht Jürgen Pohl die weitere Geschäftsentwicklung für dieses neue Herstellungsverfahren als überaus positiv an. Darüber hinaus biete das gleiche Herstellungskonzept mit geänderten Kühlkanallayout (z.B. mäanderförmige, flächige oder parallele Kanäle) auch Potenzial für die Produktion von Batterie- und Leistungselektronikgehäusen.

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