In Elektroautos können neben den Batterien auch die Motoren noch deutlich verbessert werden. Motoren mit sehr hoher Drehzahl - so genannte "High-Speed-Drives" - können für Volumen- und Gewichtsreduktion und zugleich effizientere umweltfreundliche Mobilität sorgen. Koordiniert von Infineon Austria mit Hauptsitz in Villach in Kärnten haben steirische Industriepartner einen neuen Ansteuerungsprototyp für solche schnelldrehende Elektromotoren entwickelt.

Je schneller ein Motor dreht, desto kleiner und leichter kann er für die geforderte Leistung sein. Dieser technischen Herausforderung hat sich das Forschungsprojekt "Integra" mit Partnern wie die Montanuniversität Leoben, Materials Center Leoben, FH Joanneum, Pankl Racing Systems AG, TDK Electronics sowie Infineon Austria in den vergangenen vier Jahren gestellt. Das Ergebnis liegt nun als High-Speed-Drive Prototyp vor, der höchste Leistungsdichte und Effizienz vereint und die Basis zur Volumensreduktion im Elektroantrieb legt, teilte Infineon am Donnerstag mit. Laut dem Konsortium schaffe der Prototyp eine dauerhaft hohe Leistungsdichte und ermögliche eine Volumensreduktion um rund 50 Prozent.

Von 30.000 auf 120.000 Umdrehungen pro Minute

In den immer weiter verbreiteten Elektrofahrzeugen liegen die Drehzahlen der Motoren im Antriebsstrang bei etwa 30.000 Umdrehungen pro Minute, High-Speed-Drives können es auf das rund Vierfache - 120.000 Umdrehungen - bringen. Höhere Drehzahlen sind attraktiv, aber technologisch herausfordernd. So führen etwa die angestrebte hohe Leistungsdichte und die vielen Verbindungen zwischen unterschiedlichen neuen Materialien zu starken thermischen und mechanischen Belastungen innerhalb des Antriebsmoduls. Dem wurde durch den Einsatz neuartiger elektronischer Bauelemente, der Verwendung besonderer Aufbau- und Verbindungstechnologien und der Entwicklung innovativer Kühlstrategien begegnet.

Zur Lösung trugen diamantartige Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC), Kondensatoren aus einer antiferroelektrischen Elektrokeramik, keramische Vielschichtleiterplatten mit höheren Wärmeleitfähigkeiten als Edelstahl, sowie formangepasste Spezialkühler aus dem 3D-Drucker bei. Die elektronischen und mechanischen Komponenten wurden mithilfe von Simulationstechniken aufeinander abgestimmt und optimiert. Zwei Patente wurden bereits eingereicht.

"Angesichts der wichtigen Beitrags von Elektromobilität zum Erreichen der Klimaneutralität spielen hocheffiziente Systemlösungen eine wesentliche Rolle. Mit dem neuen Halbleitermaterial Siliziumkarbid hat Infineon eine führende technische Position. Gemeinsam mit exzellenten Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft können wir die Effizienz im gesamten Antriebssystem weiter steigern und die nachhaltige Mobilität vorantreiben", hielt Sabine Herlitschka, Vorstandsvorsitzende von Infineon Technologies Austria fest. Konkret hat Infineon Leistungshalbleiter mit Siliziumkarbid für die Energieumwandlung im Wechselrichter beigesteuert.

Kühlung als Herausforderung

Die integrierte Kühlung des Motors stellte laut den Projektverantwortlichen eine der größten Herausforderungen dar, da die erhöhte Drehzahl eine größere Wärme erzeugt, die wieder abgeführt werden muss: Das neue Kühlmanagement wurde mittels 3D-Druck hergestellt. Das Team entwickelte dazu optimierte Architekturen mit neuartigen Strömungskanälen und lamellenartigen Strukturen. Damit konnte man eine Steigerung der Kühlleistung um 30 Prozent erzielen.

"Durch die Erkenntnisse aus dem Prototyp, der sehr hohe Drehzahlen ansteuern kann, können wir auch in vielen weiteren Anwendungen, beispielsweise Industrieantrieben, die Effizienz- und Leistungsdichte erhöhen", fasste Herbert Pairitsch, Director Technology & Innovation bei Infineon Technologies Austria und Gesamtprojektleiter zusammen. Die Leitung des 3-Mio.-Euro-Projekts lag bei Infineon, finanzielle Unterstützung kam aus dem Programm "Mobilität der Zukunft" des Klimaschutzministeriums und der Forschungsförderungsgesellschaft FFG.