Het verminderen van warmte in EV-motoren via vezelversterkte thermohardende behuizing en stator

Bij het lichter maken van elektrische auto's wordt ook het gewicht van de motor verminderd. Een manier om dat te doen is door het te construeren uit vezelversterkte polymeermaterialen. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT werken samen met het Karlsruhe Institute of Technology KIT om een ​​nieuw koelconcept te ontwikkelen waarmee polymeren kunnen worden gebruikt als materialen voor motorbehuizingen. En dat is niet het enige voordeel van het nieuwe koelconcept:het verhoogt ook de vermogensdichtheid en het rendement van de motor aanzienlijk in vergelijking met de stand van de techniek.

De twee belangrijkste componenten van een elektrische aandrijflijn zijn de elektromotor en de batterij. En er zijn drie zaken die een bijzonder belangrijke rol spelen als het gaat om het gebruik van een elektromotor voor milieuvriendelijke mobiliteit:hoge vermogensdichtheid, een compacte configuratie die precies in het elektrische voertuig past, en hoge efficiëntieniveaus. Als onderdeel van het DEmiL-project – een Duitse afkorting die staat voor direct gekoelde elektromotor met geïntegreerde lichtgewicht behuizing – onderzoekers van Fraunhofer ICT in Pfinztal werken nu samen met het Institute of Vehicle System Technology (FAST) en het Institute of Electrical Engineering (ETI) van het Karlsruhe Institute of Technology KIT om een ​​nieuwe benadering te ontwikkelen die directe koeling van de stator en rotor omvat. “Een elektromotor bestaat uit een roterende rotor en een statische stator. De stator bevat de koperen wikkelingen waar de elektriciteit doorheen stroomt - en dit is waar de meeste elektrische verliezen optreden. De nieuwe aspecten van ons nieuwe concept liggen in de stator”, zegt Robert Maertens, onderzoeker bij Fraunhofer ICT.

Rechthoekige platte draad vervangt ronde draad

Elektromotoren hebben een hoog rendement van meer dan 90 procent, wat betekent dat een groot deel van de elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie. De resterende 10 procent van de elektrische energie gaat verloren in de vorm van warmte. Om te voorkomen dat de motor oververhit raakt, wordt de warmte in de stator momenteel via een metalen behuizing naar een met koud water gevulde koelmantel geleid. In dit project heeft het team van onderzoekers de ronde draad vervangen door rechthoekige platte draad die strakker in de stator kan worden gewikkeld. Hierdoor ontstaat er meer ruimte voor het koelkanaal naast de wikkelfasen van de platte draad. “In dit geoptimaliseerde ontwerp kunnen de warmteverliezen worden afgevoerd via het koelkanaal in de stator, waardoor het niet nodig is om de warmte door de metalen behuizing naar een externe koelmantel te transporteren. In dit concept heb je eigenlijk helemaal geen koelsleeve meer nodig. Het biedt ook andere voordelen, waaronder een lagere thermische traagheid en een hoger continu vermogen van de motor”, zegt Maertens, die enkele voordelen van het nieuwe systeem uitlegt. Bovendien bevat het nieuwe ontwerp een rotorkoelingsoplossing waarmee het warmteverlies van de rotor ook direct in de motor kan worden afgevoerd.

Door de warmte af te voeren in de buurt van waar deze wordt gegenereerd, konden de projectpartners de hele motor en behuizing van polymeermaterialen bouwen, wat tot verdere voordelen leidde. “Polymeerbehuizingen zijn lichtgewicht en gemakkelijker te produceren dan aluminium behuizingen. Ze lenen zich ook voor complexe geometrieën zonder dat nabewerking nodig is, dus we hebben echt bespaard op het totale gewicht en de kosten”, zegt Maertens. Het metaal dat momenteel als warmtegeleider nodig is, kan worden vervangen door polymere materialen, die een lage thermische geleidbaarheid hebben in vergelijking met metalen.

De projectpartners kozen ervoor om vezelversterkte, thermohardende kunststoffen van hun projectpartner Sumitomo Bakelite (SBHPP) te gebruiken die een hoge temperatuurbestendigheid en een hoge weerstand tegen agressieve koelmiddelen bieden. In tegenstelling tot thermoplasten zwellen thermoharders niet op wanneer ze in contact komen met chemicaliën.

Geschikt voor grote serieproductie

De polymeerbehuizing wordt geproduceerd in een geautomatiseerd spuitgietproces met behulp van de fenolische vormmassa Vyncolit X7700. De cyclustijd voor het vervaardigen van de prototypes is momenteel vier minuten. De stators zelf zijn omgevormd met een thermisch geleidende epoxyhars-vormmassa (Sumikon EME-A730E) in een transfervormproces. Het team van onderzoekers koos een ontwerp- en fabricageproces voor de elektromotor waarmee deze in massaproductie kan worden geproduceerd.

Het team heeft de statorassemblage al voltooid en het koelconcept experimenteel gevalideerd. "We hebben een elektrische stroom gebruikt om de hoeveelheid warmte in de koperen wikkelingen te introduceren die volgens de simulatie in het echte bedrijf zou worden gegenereerd. We ontdekten dat we al meer dan 80 procent van de verwachte warmteverliezen kunnen afvoeren. En we hebben al een aantal veelbelovende benaderingen om de resterende warmteverliezen van iets minder dan 20 procent op te vangen, bijvoorbeeld door de koelvloeistofstroom te optimaliseren.We zijn nu in het stadium van de montage van de rotoren en kunnen binnenkort de motor laten draaien op de testbank van het Institute of Electrical Engineering en valideer het in de praktijk”, zegt Maertens, die de huidige status van het project samenvat.

Dit bericht is met dank aan de CompositesWorld en Springer lichtgewicht.design magazine mediapartnerschap. Ga voor meer informatie over Springer en lichtgewicht.design naar https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380