Da die Nachfrage nach kompakten, hocheffizienten Elektroantrieben – insbesondere in Elektrofahrzeugen, der Luft- und Raumfahrt, der Robotik und der Elektromobilität – weiter steigt, gewinnen Axialflussmotoren (AFM) aufgrund ihrer überlegenen Leistungs- und Drehmomentdichte zunehmend an Bedeutung. Mit der hohen Leistung geht jedoch auch die Herausforderung der Wärmeableitung einher. Die Kühlung wird zu einem entscheidenden Faktor für die Aufrechterhaltung von Leistung, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.
Warum die Kühlung bei Axialflussmotoren so wichtig ist
Im Gegensatz zu Radialflussmotoren haben AFMs eine flache, scheibenartige Struktur mit einem kürzeren Weg für den magnetischen Fluss und einem höheren Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Dies macht sie thermisch vorteilhaft, aber auch anfällig für lokale Erwärmung – insbesondere bei Anwendungen mit hohen Drehzahlen oder hohem Drehmoment.
Wichtige thermische Aspekte sind:
- Überhitzung von Wicklungen und Permanentmagneten
- Wirkungsgrad sinkt durch Widerstandsanstieg
- Verschlechterung der Isolierung oder der Materialien
- Verkürzung der Lebensdauer oder thermisches Durchgehen
Wärmequellen in Axialflussmotoren
| Quelle | Beschreibung |
| Kupferverluste (I²R) | Widerstandserwärmung in den Statorwicklungen |
| Eisenverluste (Kernverluste) | Hysterese- und Wirbelströme in magnetischen Kernen |
| Wirbelströme in Magneten | Besonders bei hohen Schaltfrequenzen |
| Reibungs- und mechanische Verluste | Lagerverluste und Luftwiderstand, jedoch im Design minimal |
Daher ist das richtige Kühlsystem nicht nur eine unterstützende Funktion – es ist entscheidend für die volle Leistung von Axialflussmotoren.
Luftkühlung: Einfachheit und Kosteneffizienz
Funktionsweise
Die Luftkühlung nutzt natürliche oder erzwungene Konvektion (Lüfter oder Luftkanäle), um die Wärme von den Stator- und Rotoroberflächen abzuleiten.
Natürliche Luftkühlung: Passive Ableitung durch Umgebungsluftstrom.
Forcierte Luftkühlung: Gebläse oder Axiallüfter pumpen Luft durch Motorkanäle oder über Lamellen.
| Vorteile | Nachteile |
| √ Einfaches Design | × Begrenzte Wärmekapazität (~1–3 W/cm²) |
| √ Geringere Kosten | × Weniger effektiv in kompakten, geschlossenen Räumen |
| √ Kein Kühlmittelwartungsaufwand | × Empfindlich gegenüber Umgebungstemperatur |
| √ Leichtgewicht |
Beste Anwendungsfälle
- Anwendungen mit geringer bis mittlerer Leistungsdichte
- E-Bikes, Roller, kleine Drohnen
- Umgebungen mit guter Luftzirkulation
Luftkühlungsleistungstabelle
| Parameter | Typischer Wert |
| Maximale Dauerleistung | < 10–15 kW |
| Wärmeflusskapazität | 1–3 W/cm² |
| Temperaturbereich | 30–90 °C |
| Gewichtsnachteil | Minimal |
| Wartungsaufwand | Gering |
Flüssigkeitskühlung: Leistungsstarkes Wärmemanagement
Funktionsweise
Bei der Flüssigkeitskühlung zirkuliert eine Flüssigkeit – typischerweise Wasser, Glykol oder ein Dielektrikum – durch Kanäle, die im Stator und manchmal auch im Rotor eingebettet sind. Die Flüssigkeit absorbiert Wärme und überträgt sie an einen Wärmetauscher oder Kühler.
Es gibt verschiedene Konfigurationen:
- Statormantelkühlung: Flüssigkeitskanäle um den äußeren Stator
- Eingebettete Kanalkühlung: Direkter Flüssigkeitskontakt mit Kupferwicklungen oder -kern
- Immersionskühlung: Eintauchen des Motors in dielektrische Flüssigkeit
| Vorteile | Nachteile |
| √ Hohe Kühlleistung (10–100 W/cm²) | × Erhöhte Systemkomplexität und Kosten |
| √ Kompaktes und modulares Design | × Leckagerisiko |
| √ Stabiler Betrieb bei hoher Einschaltdauer | × Erfordert Kühlmittelpumpen und Kühler |
Beste Anwendungsfälle
- Hochleistungs-Elektrofahrzeuge
- Luft- und Raumfahrt
- Hochgeschwindigkeits-Industrierobotik
Flüssigkeitskühlungsleistung
| Parameter | Typischer Wert |
| Maximale Dauerleistung | Bis zu 300 kW |
| Wärmeflusskapazität | 10–100 W/cm² |
| Temperaturbereich | 30–130 °C |
| Gewichtsnachteil | Mittel |
| Wartungsaufwand | Mittel bis hoch |
Fortschrittliche Kühltechnologien: Über herkömmliche Systeme hinaus
Mit der Weiterentwicklung von Axialflussmotoren steigen auch ihre Kühlanforderungen. Nachfolgend finden Sie Kühltechniken der nächsten Generation, die in Prototypen und der modernen Fertigung erforscht oder eingesetzt werden:
Heatpipes und Dampfkammern
Diese nutzen Phasenwechselflüssigkeiten, um Wärme schnell vom Stator zu einem Kühlkörper zu transportieren.
- Passives System, keine Pumpe erforderlich
- Hervorragend geeignet für lokale Hotspots
- Einsatz in der Luft- und Raumfahrt und in Mikromotorsystemen
Dielektrische Immersionskühlung
Anstelle von zirkulierendem Wasser oder Glykol ist der Motor vollständig in eine nichtleitende dielektrische Flüssigkeit (wie 3M Novec oder Mineralöl) eingetaucht.
- Direktkontaktkühlung von Stator und Rotor
- Keine Kurzschlussgefahr
- Hohe thermische Leistung
Phasenwechselmaterialien (PCM)
PCM absorbieren während des Phasenübergangs (fest zu flüssig) große Wärmemengen und ermöglichen so eine thermische Pufferung bei kurzen, hochbelasteten Phasen.
- Ideal für intermittierende Arbeitszyklen
- Häufig in der Verteidigung und Luft- und Raumfahrt
Integrierte Kühlstrukturen
Additive Fertigung (3D-Druck) ermöglicht interne Kühlkanäle in Statorblechen oder Gehäusen und verbessert so die Wärmeübertragung ohne herkömmliche Rohrleitungen.
Vergleichende Übersicht: Kühlmethoden für Axialflussmotoren
| Kühlart | Wärmeabfuhrleistung | Komplexität | Kosten | Zuverlässigkeit | Am besten geeignet für |
| Luft (natürlich) | Niedrig (1–2 W/cm²) | Sehr gering | Gering | Hoch | Motoren mit niedriger Leistung, offene Systeme |
| Luft (gezwungen) | Mittel (2–5) | Gering | Gering | Hoch | Verbrauchere-Mobilität, langsamdrehende Ventilatoren |
| Flüssigkeitsmantel | Hoch (10–50) | Mittel | Mittel | Hoch | Elektrofahrzeuge, Robotik, kompakte Hochleistungsmotoren |
| Direkte Flüssigkeitseinbettung | Sehr hoch (bis zu 100) | Hoch | Hoch | Mittel | Luft- und Raumfahrt, Motorsport, Robotik |
| Dielektrische Immersion | Sehr hoch | Hoch | Hoch | Mittel | Abgedichtete Hochleistungsanwendungen |
| Dampfkammersysteme/Wärmerohre | Mittel-hoch | Mittel | Mittel | Mittel | Luft- und Raumfahrt, Drohnen, eingeschränkte Kühlung |
| Phasenwechselmaterialien (PCM) | Niedrig (gepuffert) | Mittel | Mittel | Niedrig | Systeme mit Kurzzeit- oder Stoßbetrieb |
Designüberlegungen aus Herstellersicht
Bei der Konstruktion und Fertigung von Axialflussmotoren muss die Wahl der Kühlmethode bereits in der Entwicklungsphase berücksichtigt werden. Wir konzentrieren uns auf folgende Faktoren:
Kern- und Wicklungsdesign
Kompakte Stator- und Rotorbaugruppen erfordern optimierte Kupferfüllfaktoren und Blechpakete, die den Luftstrom oder den Kühlmittelkontakt erleichtern.
Für die Flüssigkeitskühlung müssen Nuten oder eingebettete Kanäle präzise bearbeitet oder gegossen werden.
Gehäuse und Ummantelung
Je nach Kühlsystem müssen Pumpen, Anschlüsse oder Lamellen untergebracht werden.
Druckguss oder CNC-Bearbeitung ermöglichen die Gestaltung optimierter externer Kühlkörper.
Materialauswahl
Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und dielektrische Eigenschaften sind entscheidend.
Verwendung von Aluminiumlegierungen, Hochleistungspolymeren und Beschichtungen.
Sicherheit und Prüfung
Dichtheitsprüfungen, Temperaturwechselprüfungen und redundante Dichtungen sind für die Flüssigkeitskühlung obligatorisch.
Dielektrische Immersionssysteme erfordern eine vollständige Prüfung der elektrischen Isolierung.
Als kundenspezifischer Hersteller bieten wir:
- Kundenspezifische Stator- und Rotorblechpakete, optimiert für die Kühlung
- Geformte oder bearbeitete Gehäuse mit eingebetteten Kanälen
- Umfassende thermische Analyse und Kühlsimulationen während der Konstruktionsphase
Anwendungen und Fallstudien aus der Praxis
EV-Traktionsmotor mit Flüssigkeitskühlung
- Motorleistung: 150 kW
- Kühlung: Eingebetteter Flüssigkeitsmantel
- Ergebnis: Bei Dauerbelastung unter 85 °C gehalten, 30 % kleineres Volumen als vergleichbare Radialmotoren
Drohnen-Antriebsmotor mit Druckluft
- Motorleistung: 5 kW
- Kühlung: In die Rotornabe integrierter Axiallüfter
- Ergebnis: Leichtes, vereinfachtes System unter 4 kg, konstante Leistung bei geringem Luftstrom
Industrierobotergelenk mit Immersionskühlung
- Motorleistung: 20 kW
- Kühlung: Fluorinert-basierte dielektrische Immersion
- Ergebnis: 40 % höhere Einschaltdauer; lokale Spitzentemperatur um 18 °C reduziert
Die Zukunft der Axialflussmotorkühlung
Mit der zunehmenden Elektrifizierung in allen Branchen wird der Bedarf an intelligenterer und besser integrierter Kühlung weiter steigen. Zu den Trends zählen:
- Digitale Zwillingssimulationen zur thermischen Optimierung
- Nanobeschichtungen zur Reduzierung des Oberflächenwiderstands gegen Wärmeübertragung
- KI-gesteuerte Flüssigkeitspumpen, die den Durchfluss lastabhängig modulieren
- Kompakte Mehrphasenpumpen und Mini-Wärmetauscher für eingebettete Systeme
Die Branche entwickelt sich hin zu Kühlung als System, bei dem Motorsteuerung, Sensorrückmeldung und dynamische Lastüberwachung die Leistung in Echtzeit optimieren.
Fazit
Kühlung ist nicht nur ein Zubehör für Axialflussmotoren – sie ermöglicht Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Ob einfache Luftkonvektion oder hochmoderne dielektrische Immersion – die Wahl der richtigen Kühllösung erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung, Kosten, Komplexität und Integrationsmöglichkeit.
Als Hersteller liefern wir Axialflussmotoren und Motorkerne mit optimaler Wärmeleistung. Vom Prototyping bis zur Produktion arbeitet unser Team eng mit Ihnen zusammen, um die optimale Kühlmethode für Ihre Anwendung zu implementieren.
