Direkte afkølet elmotor lavet af polymermaterialer

At gøre elbiler lettere indebærer også at reducere motorens vægt. En måde at gøre det på er ved at konstruere det af fiberforstærkede polymermaterialer. Forskere ved Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT arbejder sammen med Karlsruhe Institute of Technology KIT om at udvikle et nyt kølekoncept, der gør det muligt at bruge polymerer som motorhusmaterialer. Og det er ikke den eneste fordel ved det nye kølekoncept:det øger også motorens effekttæthed og effektivitet betydeligt sammenlignet med den nyeste teknologi.

De to nøglekomponenter i en elektrisk drivlinje er den elektriske motor og batteriet. Og der er tre spørgsmål, der spiller en særlig vigtig rolle, når det kommer til at bruge en elektrisk motor til miljøvenlig mobilitet:høj effekttæthed, en kompakt konfiguration, der passer godt ind i det elektriske køretøj, og høj effektivitet. Som en del af DEmiL-projektet – en tysk forkortelse, der står for direkte afkølet elektrisk motor med integreret letvægtshus – arbejder forskere ved Fraunhofer ICT i Pfinztal nu sammen med Institute of Vehicle System Technology (FAST) og Institute of Electrical Engineering (ETI) ) ved Karlsruhe Institute of Technology KIT for at udvikle en ny tilgang, der inkorporerer direkte køling af statoren og rotoren. "En elektrisk motor består af en roterende rotor og en statisk stator. Statoren indeholder kobberviklingerne, som elektriciteten strømmer igennem – og det er her, størstedelen af ​​elektriske tab opstår. De nye aspekter af vores nye koncept ligger i statoren, siger Robert Maertens, en forsker ved Fraunhofer ICT.

Rektangulær flad ledning erstatter rund ledning

Elmotorer har en høj effektivitet på over 90 procent, hvilket betyder, at en stor del af den elektriske energi omdannes til mekanisk energi. De resterende 10 procent eller deromkring af den elektriske energi går tabt i form af varme. For at forhindre overophedning af motoren, varmen i statoren ledes i øjeblikket gennem et metalhus til en kølemanchet fyldt med koldt vand. I dette projekt, Forskerholdet har erstattet den runde ledning med en rektangulær flad ledning, der kan vikles tættere i statoren. Dette skaber mere plads til kølekanalen ved siden af ​​fladtrådsviklingsfaserne. "I dette optimerede design, varmetabet kan spredes gennem kølekanalen inde i statoren, eliminerer behovet for at transportere varmen gennem metalhuset til en udvendig kølemanchet. Faktisk, du behøver slet ikke længere en kølemanchet i dette koncept. Det giver andre fordele, også, herunder lavere termisk inerti og højere kontinuerlig output fra motoren, siger Maertens, forklarer nogle af fordelene ved det nye system. Ud over, det nye design inkorporerer en rotorkøleløsning, der også tillader rotorens varmetab at blive afledt direkte i motoren.

Ved at sprede varmen tæt på hvor den genereres, projektpartnerne var i stand til at konstruere hele motoren og huset af polymermaterialer, fører til yderligere fordele. "Polymerhuse er lette og lettere at producere end aluminiumshuse. De egner sig også til komplekse geometrier uden at kræve efterbehandling, så vi lavede nogle reelle besparelser på den samlede vægt og omkostninger, " siger Maertens. Det metal, der i øjeblikket kræves som varmeleder, kan erstattes af polymermaterialer, som har en lav varmeledningsevne sammenlignet med metaller.

Projektpartnerne valgte at anvende fiberarmerede, termohærdende plast, der giver høj temperaturbestandighed og høj modstandsdygtighed over for aggressive kølemidler. I modsætning til termoplast, termohærder svulmer ikke op, når de kommer i kontakt med kemikalier.

Velegnet til større serieproduktion

Polymerhuset fremstilles i en automatiseret sprøjtestøbeproces. Cyklustiden for fremstilling af prototyperne er i øjeblikket fire minutter. Selve statorerne er overstøbt med en termisk ledende epoxyharpiksstøbemasse i en transferstøbeproces. Holdet af forskere valgte en design- og fremstillingsproces for den elektriske motor, der gør det muligt at masseproducere den.

Holdet har allerede afsluttet statorsamlingen og eksperimentelt valideret kølekonceptet. "Vi brugte en elektrisk strøm til at indføre den mængde varme i kobberviklingerne, som ville blive genereret i reel drift ifølge simuleringen. Vi fandt ud af, at vi allerede kan sprede over 80 procent af de forventede varmetab. Og vi har allerede nogle lovende metoder til at håndtere de resterende varmetab på knap 20 procent, for eksempel ved at optimere flowet af kølevæske. Vi er nu på stadiet med at samle rotorerne og vil snart være i stand til at betjene motoren på testbænken på Institut for Elektroteknik og validere den i reel drift, siger Maertens, opsummering af projektets nuværende status.