Reducción del calor en motores EV mediante una carcasa termoestable reforzada con fibra y estator

Hacer los coches eléctricos más ligeros también implica reducir el peso del motor. Una forma de hacerlo es construyéndolo a partir de materiales poliméricos reforzados con fibra. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología Química ICT están trabajando junto con el KIT del Instituto de Tecnología de Karlsruhe para desarrollar un nuevo concepto de enfriamiento que permitirá que los polímeros se utilicen como materiales de carcasa de motor. Y esa no es la única ventaja del nuevo concepto de refrigeración:también aumenta significativamente la densidad de potencia y la eficiencia del motor en comparación con el estado de la técnica.

Los dos componentes clave de un tren de transmisión eléctrico son el motor eléctrico y la batería. Y hay tres cuestiones que juegan un papel particularmente importante cuando se trata de usar un motor eléctrico para una movilidad ecológica:alta densidad de potencia, una configuración compacta que se adapta perfectamente al vehículo eléctrico y altos niveles de eficiencia. Como parte del proyecto DEmiL - una abreviatura alemana que significa motor eléctrico refrigerado directamente con carcasa liviana integrada - investigadores de Fraunhofer ICT en Pfinztal ahora están trabajando con el Instituto de Tecnología de Sistemas de Vehículos (FAST) y el Instituto de Ingeniería Eléctrica (ETI) en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe KIT para desarrollar un enfoque novedoso que incorpora enfriamiento directo del estator y el rotor. “Un motor eléctrico consta de un rotor giratorio y un estator estático. El estator contiene los devanados de cobre por los que fluye la electricidad, y aquí es donde ocurren la mayoría de las pérdidas eléctricas. Los aspectos novedosos de nuestro nuevo concepto se encuentran en el estator ”, dice Robert Maertens, investigador de Fraunhofer ICT.

El alambre plano rectangular reemplaza al alambre redondo

Los motores eléctricos tienen una alta eficiencia de más del 90 por ciento, lo que significa que una alta proporción de la energía eléctrica se convierte en energía mecánica. Aproximadamente el 10 por ciento restante de la energía eléctrica se pierde en forma de calor. Para evitar que el motor se sobrecaliente, el calor en el estator se conduce actualmente a través de una carcasa de metal a un manguito de enfriamiento lleno de agua fría. En este proyecto, el equipo de investigadores ha reemplazado el cable redondo por un cable plano rectangular que se puede enrollar con más fuerza en el estator. Esto crea más espacio para el canal de enfriamiento junto a las fases de bobinado del cable plano. “En este diseño optimizado, las pérdidas de calor se pueden disipar a través del canal de enfriamiento dentro del estator, eliminando la necesidad de transportar el calor a través de la carcasa de metal a un manguito de enfriamiento exterior. De hecho, ya no necesita un manguito de refrigeración en este concepto. También ofrece otros beneficios, incluida una menor inercia térmica y una mayor salida continua del motor ”, dice Maertens, al explicar algunas de las ventajas del nuevo sistema. Además, el nuevo diseño incorpora una solución de enfriamiento del rotor que también permite que la pérdida de calor del rotor se disipe directamente dentro del motor.

Al disipar el calor cerca de donde se genera, los socios del proyecto pudieron construir todo el motor y la carcasa con materiales poliméricos, lo que generó más ventajas. “Las carcasas de polímero son livianas y más fáciles de producir que las carcasas de aluminio. También se prestan a geometrías complejas sin requerir procesamiento posterior, por lo que obtuvimos algunos ahorros reales en el peso y el costo generales ”, dice Maertens. El metal que se requiere actualmente como conductor de calor puede ser reemplazado por materiales poliméricos, que tienen una conductividad térmica baja en comparación con los metales.

Los socios del proyecto optaron por utilizar plásticos termoendurecibles reforzados con fibra de su socio de proyecto Sumitomo Bakelite (SBHPP) que ofrecen resistencia a altas temperaturas y alta resistencia a refrigerantes agresivos. A diferencia de los termoplásticos, los termoestables no se hinchan cuando entran en contacto con productos químicos.

Adecuado para la producción en grandes series

La carcasa de polímero se produce en un proceso de moldeo por inyección automatizado utilizando el compuesto de moldeo fenólico Vyncolit X7700. El tiempo de ciclo de fabricación de los prototipos es actualmente de cuatro minutos. Los propios estatores se sobremoldean con un compuesto de moldeo de resina epoxi termoconductora (Sumikon EME-A730E) en un proceso de moldeo por transferencia. El equipo de investigadores eligió un proceso de diseño y fabricación para el motor eléctrico que permitirá su producción en masa.

El equipo ya ha completado el montaje del estator y ha validado experimentalmente el concepto de refrigeración. "Usamos una corriente eléctrica para introducir la cantidad de calor en los devanados de cobre que se generaría en operación real de acuerdo con la simulación. Descubrimos que ya podemos disipar más del 80 por ciento de las pérdidas de calor esperadas. Y ya tenemos algunas prometedoras enfoques para hacer frente a las pérdidas de calor restantes de poco menos del 20 por ciento, por ejemplo, optimizando el flujo de refrigerante. Ahora estamos en la etapa de ensamblaje de los rotores y pronto podremos operar el motor en el banco de pruebas en el Instituto de Ingeniería eléctrica y validarlo en operación real ”, dice Maertens, resumiendo el estado actual del proyecto.

Esta publicación es cortesía de CompositesWorld y Asociación de medios de la revista Springer Light.design . Para obtener más información sobre Springer y diseño ligero, visite https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380