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 Instituut voor Chemische Technologie 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 efficiëntie. Als onderdeel van het DEmiL-project – een Duitse afkorting die staat 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 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, een 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 oververhitting van de motor te voorkomen, de warmte in de stator wordt momenteel via een metalen behuizing naar een met koud water gevulde koelmantel geleid. In dit project, het team van onderzoekers heeft 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, de warmteverliezen kunnen worden afgevoerd via het koelkanaal in de stator, waardoor het niet nodig is om de warmte door de metalen behuizing naar een externe koelhuls te transporteren. In feite, je hebt in dit concept helemaal geen koelsleeve meer nodig. Het biedt andere voordelen, te, inclusief lagere thermische inertie en hogere continue output van de motor, " zegt Maertens, enkele voordelen van het nieuwe systeem toelichten. In aanvulling, het nieuwe ontwerp bevat 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 het wordt gegenereerd, de projectpartners konden de volledige motor en behuizing van polymeermaterialen bouwen, wat nog meer voordelen oplevert. "Polymeerbehuizingen zijn lichtgewicht en gemakkelijker te produceren dan aluminium behuizingen. Ze lenen zich ook voor complexe geometrieën zonder nabewerking, 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 die een hoge temperatuurbestendigheid en hoge weerstand bieden tegen agressieve koelmiddelen. In tegenstelling tot thermoplasten, thermoharders zwellen niet op wanneer ze in contact komen met chemicaliën.

Geschikt voor grote serieproductie

De polymeerbehuizing wordt geproduceerd in een geautomatiseerd spuitgietproces. De cyclustijd voor het vervaardigen van de prototypes is momenteel vier minuten. De stators zelf worden omgevormd met een thermisch geleidende epoxyhars-vormmassa 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 voor het omgaan met de resterende warmteverliezen van iets minder dan 20 procent, bijvoorbeeld door de koelvloeistofstroom te optimaliseren. We zijn nu in het stadium van de montage van de rotoren en zullen binnenkort in staat zijn om de motor op de testbank van het Instituut voor Elektrotechniek te laten werken en in het echt te valideren, " zegt Maertens, een samenvatting van de huidige status van het project.