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H3X liefert fortschrittliche elektrische Antriebe für Kundentests aus

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Das US-amerikanische Start-up-Unternehmen H3X beginnt mit der Auslieferung eines Elektromotors mit hoher Leistungsdichte an Kunden für Tests in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich, einschließlich Elektroflugzeugen.

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Der integrierte Motorantrieb HPDM-30 wiegt 4,1 kg (9 lb.) und wurde mit einer Dauerleistung von bis zu 33 kW getestet, die für den Einsatz in unbemannten Flugzeugen und kleineren Fahrzeugen geeignet ist.

Das in Denver ansässige Unternehmen H3X entwickelt fortschrittliche Radialfluss-Permanentmagnetmotoren, bei denen neuartige Materialien und Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, um die Leistungsdichte zu maximieren. Das Startup-Unternehmen strebt 10 kW/kg für den integrierten Motor und den Wechselrichter/Steuergerät an. Im Vergleich dazu liegt die Leistungsdichte bestehender elektrischer Flugzeugmotoren bei bis zu 5 kW/kg.

H3X arbeitet im Rahmen der ersten Phase eines NASA-Forschungsauftrags für kleine Unternehmen an der Entwicklung eines Motors, der ein 25 % großes Modell des Subsonic Single Aft Engine (SUSAN)-Konzepts antreiben soll. SUSAN ist ein Entwurf für ein 180-sitziges Flugzeug mit einer wirtschaftlichen Reichweite von 750 Meilen und einem hybridelektrischen Antriebsstrang, der einen einzelnen Heck-Turbofan zur Schuberzeugung und zur Erzeugung elektrischer Energie für die an den Flügeln angebrachten Triebwerke umfasst.

Das Start-up arbeitet auch mit der Innovationsabteilung AFWerx der US-Luftwaffe zusammen, um die Leistung seines HPDM-250-Demonstrators mit integriertem Motorantrieb zu charakterisieren. Dieser erzeugt 250 kW Spitzenleistung mit einer Leistungsdichte von bis zu 15 kW/kg in einer Direktantriebskonfiguration. Ziel ist die Flugerprobung des Motors als Ersatz für eines der Triebwerke eines bestehenden zweimotorigen Flugzeugs, sagt Max Liben, Mitbegründer und Chief Technology Officer von H3X.

Das erste Produkt von H3X, der HPDM-30, verwendet dieselbe Motortechnologie wie der HPDM-250-Demonstrator, verfügt jedoch über einen anderen Wechselrichter. Der Motorantrieb ist auf 120 kW skalierbar, wobei der schnell schaltende Siliziumkarbid-Wechselrichter den gesamten Leistungsbereich abdeckt, so Liben. "Ursprünglich wollten wir nicht unter 250 kW gehen, aber es gab so viel Nachfrage aus verschiedenen Bereichen nach einem kleineren Motorantrieb

Beim H3X-Motor besteht der Magnetkern aus laminierten Stahlblechen, die gestanzt, gestapelt und miteinander verklebt werden, um den Rotor und den Stator herzustellen. "Wir erreichen einen hohen Stapelfaktor von mehr als 98 %, was bedeutet, dass der fertige Kern zu 98 % aus Stahl und zu 2 % aus Klebstoff besteht", erklärt er.

Das Startup erreicht auch einen hohen Kupferfüllfaktor und eine hohe Wärmeleitfähigkeit in den Motorwicklungen, was hohe Stromdichten ermöglicht, die mehr Kraft erzeugen. "Wir füllen die Nuten mit so viel Kupfer, wie wir physisch können. Die Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Kupfers ist fünf- bis zehnmal besser als beim Stand der Technik", sagt Liben. "Luft ist ein schlechter Leiter, also entfernen wir so viel wie möglich und ersetzen es durch einen guten Leiter. Das ist ein anspruchsvolles Materialproblem." Motor und Wechselrichter haben eine integrierte Flüssigkeitskühlung.

Über den HPDM-30 hinaus plant H3X die Entwicklung eines 200-kW-Motorantriebs für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie ein Multisektordesign, das in Konfigurationen mit zwei bis zwölf Segmenten erhältlich sein wird, die bis zu 2,8 Megawatt Dauerleistung mit einer Leistungsdichte von mehr als 12 kW/kg erzeugen.

Bei der Multisektorkonstruktion wird der 200-kW-Motor in ein Bogensegment "abgerollt", das dann vervielfältigt wird: Vier Segmente erzeugen 800 kW Dauerleistung. Laut Liben bietet die Konstruktion eine hohe Fehlertoleranz. Jeder Sektor hat einen unabhängigen dreiphasigen Wechselrichter und eine unabhängige Wicklung. Nach dem Ausfall eines einzelnen Wechselrichters oder einer Wicklung erzeugt ein Motor mit zwei Sektoren immer noch die halbe Leistung; ein Motor mit 12 Sektoren verliert nur 1/12 seiner Leistung, sagt er.

Je höher der Motor skaliert wird, desto geringer ist seine Ausgangsgeschwindigkeit. Der 200-kW-Motor läuft mit 20.000 Umdrehungen pro Minute und benötigt ein Getriebe. Ein 800-kW-Motor arbeitet mit 5.000 Umdrehungen pro Minute ohne Getriebe. "Systeme der Megawattklasse für den Antrieb von Flugzeugen werden wahrscheinlich direkt an den Propulsor gekoppelt", sagt Liben und fügt hinzu, dass die Motoren dann auf derselben Welle gestapelt werden können, um Multimegawatt-Systeme für den Antrieb von Verkehrsflugzeugen mit nur einem Mittelgang zu schaffen.