Hybrid-elektrisches Fliegen 750-kW-Flugzeugmotor wiegt weniger als 100 Kilogramm

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Fraunhofer-Inst. für Integrierte Systeme und Bauelemente (IISB)

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Fraunhofer-Forschende aus Erlangen haben einen leichten Elektromotor für Wasserstoff-Flugzeuge konstruiert. Der Antrieb wiegt lediglich 94 Kilogramm, liefert aber 750 Kilowatt Leistung. Vier getrennte Wechselrichter machen das System besonders ausfallsicher.

Die Flugbranche sucht nach technischen Lösungen, um den Ausstoß von Klimagasen zu senken. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) hat dafür einen neuen Elektromotor entworfen. Die Permanentmagnet-Synchronmaschine soll künftig hybrid-elektrische Regionalflugzeuge antreiben. Sie entsteht als Teil des Projekts Amber unter dem Dach des europäischen Forschungsprogramms Clean Aviation. Das Konsortium arbeitet an einem zwei Megawatt starken Antriebssystem auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen. Daran beteiligen sich auch Flugmotorenbauer wie Avio Aero und Ge Aerospace. Die Ingenieure verknüpfen den Elektromotor dabei in einer Parallel-Hybrid-Konfiguration mit dem Catalyst-Turboprop-Triebwerk von Avio Aero. Ziel der Partner ist es, die Kohlendioxid-Emissionen im Vergleich zu Flugzeugen aus dem Jahr 2020 um mindestens 30 Prozent zu drücken.

Für dieses Ziel speckt der direkt am Getriebe montierte Motor massiv ab. Er liefert dennoch Höchstwerte. Die wichtigsten technischen Daten im Überblick:

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• Leistung: 750 Kilowatt Nennleistung (bei 65 Grad Celsius Öltemperatur)

• Drehmoment: 350 Newtonmeter

• Drehzahl: 21.000 Umdrehungen pro Minute

• Gewicht und Maße: 94 Kilogramm schwer, 60 Zentimeter lang, 25 Zentimeter im Durchmesser

• Leistungsdichte: 8 kW/kg

Diese extrem hohe Leistungsdichte bildet einen entscheidenden Faktor, da in der Luftfahrt jedes Gramm zählt.

Steckspulen und extrem dünnes Elektroblech

Die Ingenieure erreichen diese physikalischen Werte durch spezielle Fertigungstechniken beim Stator. Statt klassischer Runddrahtwicklungen nutzen sie massive Steckspulen, sogenannte Hairpins. Diese bilden die Statorwicklung. Eine ungerade Anzahl von Windungen pro Nut optimiert dabei die Stromdichte in den Hairpins und senkt die Wechselstromverluste. Gleichzeitig rotiert der Motor schnell. Um die dabei entstehenden Wirbelstromverluste im Stator gering zu halten, verbaut das Institut 0,15 Millimeter dünnes Elektroblech der Spezifikation No15. Die hohe Leistungsdichte erfordert zudem ein effizientes Thermomanagement: Eine direkte Ölsprühkühlung führt die Hitze unmittelbar an den Wicklungen ab, wo sie entsteht. Messungen der Entwickler zeigen, dass der Motor in einem hohen Drehzahlband zwischen 13.000 und 21.000 Umdrehungen pro Minute eine Effizienz von über 98 Prozent erzielt.

In der Luftfahrt spielt Sicherheit eine übergeordnete Rolle. Fällt eine elektronische Komponente aus, muss der Flugbetrieb weitergehen. Das Fraunhofer IISB teilt den Stator deshalb mechanisch und elektrisch auf. Das System arbeitet mit vier entkoppelten Wicklungen, die an vier separate, institutseigene Inverter angeschlossen sind. Dieses 4x3-Phasen-Design fängt Fehler ab und stellt sicher, dass der Antrieb auch bei Teildefekten weiterarbeitet. Den Hochvoltanschluss realisieren die Entwickler mit Steckern von Amphenol der Baureihe HVSL, für die Niedervoltverbindungen kommen Ecomate-Rssm-Stecker zum Einsatz.

Magnetfelder im Inneren überwachen

Um die Entwicklung, Fertigung und Validierung solcher Antriebe zu optimieren, steuern Kollegen des Fraunhofer IIS neuartige Sensortechnologien bei. Sogenannte Hallinsight-Sensoren messen die Magnetfelder dreidimensional direkt im Inneren der rotierenden Maschine. Mit solchen Daten lassen sich Fehler bereits in der automatisierten Fertigung aufspüren oder der Verschleiß im laufenden Flugbetrieb vorhersagen. Von der ersten Konzeptdefinition über die thermische und mechanische Auslegung bis zur Endmontage fertigten die Erlanger den Motor vollständig nach gängigen Luftfahrtstandards. (mc)

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