Innovatieve Vezelversterkte Thermoharsende Behuizing Vermindert Hitte in EV-Motoren

Het lichter maken van elektrische auto's omvat ook het verminderen van het gewicht van de motor. Een manier om dat te doen is door deze te construeren uit vezelversterkte polymermaterialen. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Chemische Technologie ICT werken samen met het Karlsruhe Institute of Technology KIT aan een nieuw koelconcept dat polymeren in staat stelt als motorbehuizingmaterialen te dienen. En dat is niet het enige voordeel van het nieuwe koelconcept: het verhoogt ook aanzienlijk de vermogendichtheid en efficiëntie van de motor vergeleken met de stand van de techniek.

De twee sleutelcomponenten van een elektrische aandrijving zijn de elektromotor en de batterij. Er zijn drie aspecten die een bijzondere rol spelen bij het gebruik van een elektromotor voor milieuvriendelijke mobiliteit: hoge vermogendichtheid, een compacte configuratie die naadloos past in het elektrische voertuig, en hoge efficiëntie. Als onderdeel van het DEmiL-project – een Duitse afkorting voor direct gekoelde elektromotor met geïntegreerde lichtgewicht behuizing – werken onderzoekers van Fraunhofer ICT in Pfinztal nu samen met het Institute of Vehicle System Technology (FAST) en het Institute of Electrical Engineering (ETI) aan het Karlsruhe Institute of Technology KIT aan een nieuwe benadering die directe koeling van de stator en rotor integreert. „Een elektromotor bestaat uit een draaiende rotor en een statische stator. De stator bevat de koperen windingen waar de stroom doorheen vloeit – en dit is waar het merendeel van de elektrische verliezen optreedt. De vernieuwende aspecten van ons nieuwe concept liggen in de stator,” zegt Robert Maertens, onderzoeker bij Fraunhofer ICT.

Rechthoekige pladdraad vervangt ronde draad

Elektrische motoren hebben een hoge rendement van meer dan 90 procent, wat betekent dat een groot deel van de elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie. De overige 10 procent of zo van de elektrische energie gaat verloren in de vorm van warmte. Om te voorkomen dat de motor oververhit, wordt de warmte in de stator momenteel via een metalen behuizing naar een met koud water gevulde koelmantel geleid. In dit project heeft het onderzoeksteam de ronde draad vervangen door rechthoekige pladdraad die strakker in de stator gewikkeld kan worden. Dit creëert meer ruimte voor het koelkanaal naast de pladdraad-wikkelfasen. „In dit geoptimaliseerde ontwerp kunnen de warmteverliezen via het koelkanaal binnenin de stator worden afgevoerd, waardoor de noodzaak vervalt om de warmte via de metalen behuizing naar een externe koelmantel te transporteren. In feite heb je in dit concept helemaal geen koelmantel meer nodig. Het biedt ook andere voordelen, waaronder lagere thermische inertie en hogere continue uitgang van de motor,” legt Maertens uit, terwijl hij enkele voordelen van het nieuwe systeem uitlegt. Bovendien integreert het nieuwe ontwerp een rotorkoeloplossing die ook de warmteverliezen van de rotor direct binnenin de motor kan afvoeren.

Door de warmte dicht bij de bron af te voeren, waren de projectpartners in staat om de gehele motor en behuizing uit polymermaterialen te construeren, wat tot verdere voordelen leidt. „Polymere behuizingen zijn lichtgewicht en eenvoudiger te produceren dan aluminiumbehuizingen. Ze lenen zich ook voor complexe geometrieën zonder nabewerking, zodat we echte besparingen op totaal gewicht en kosten gerealiseerd hebben,” zegt Maertens. Het metaal dat momenteel als warmteleider vereist is, kan worden vervangen door polymermaterialen, die een lage thermische geleiding hebben vergeleken met metalen.