Carcasa de motor EV con fibra reforzada termofija reduce calor

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

Alambre plano rectangular reemplaza al alambre redondo

Los dos componentes clave de un tren de tracción 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 movilidad ecológica: alta densidad de potencia, una configuración compacta que se ajuste perfectamente dentro del vehículo eléctrico, y altos niveles de eficiencia. Como parte del proyecto DEmiL —una abreviatura alemana que significa motor eléctrico refrigerado directamente con carcasa ligera integrada— investigadores de Fraunhofer ICT en Pfinztal trabajan ahora con el Instituto de Tecnología de Sistemas de Vehículos (FAST) y el Instituto de Ingeniería Eléctrica (ETI) del Instituto de Tecnología de Karlsruhe KIT para desarrollar un enfoque novedoso que incorpora enfriamiento directo del estator y rotor. "Un motor eléctrico consiste en un rotor rotativo y un estator estático. El estator contiene los devanados de cobre por donde fluye la electricidad —y aquí es donde ocurren la mayoría de las pérdidas eléctricas. Los aspectos novedosos de nuestro nuevo concepto radican en el estator", dice Robert Maertens, investigador en Fraunhofer ICT.

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. El 10 por ciento restante más o menos 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 metálica a una camisa de enfriamiento llena de agua fría. En este proyecto, el equipo de investigadores ha reemplazado el alambre redondo con alambre plano rectangular que puede enrollarse más apretado en el estator. Esto crea más espacio para el canal de enfriamiento junto a las fases de devanado de alambre plano. "En este diseño optimizado, las pérdidas de calor pueden disiparse a través del canal de enfriamiento dentro del estator, eliminando la necesidad de transportar el calor a través de la carcasa metálica a una camisa de enfriamiento exterior. De hecho, ya no necesitas una camisa de enfriamiento en este concepto. Ofrece otros beneficios, incluyendo menor inercia térmica y mayor salida continua del motor", dice Maertens, explicando algunas de las ventajas del nuevo sistema. Además, el nuevo diseño incorpora una solución de enfriamiento del rotor que también permite disipar la pérdida de calor del rotor 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 conduce a más ventajas. "Las carcasas de polímero son ligeras y más fáciles de producir que las de aluminio. También se prestan a geometrías complejas sin requerir post-procesamiento, así que hicimos ahorros reales en peso y costo totales", dice Maertens. El metal actualmente requerido como conductor de calor puede ser reemplazado por materiales poliméricos, que tienen una baja conductividad térmica comparada con los metales.

Los socios del proyecto eligieron usar plásticos termoestables reforzados con fibra de su socio de proyecto Sumitomo Bakelite (SBHPP) que ofrecen alta resistencia a temperatura y alta resistencia a refrigerantes agresivos. A diferencia de los termoplásticos, los termoestables no se hinchan cuando entran en contacto con químicos.

Apto para producción en serie grande

La carcasa de polímero se produce en un proceso automatizado de moldeo por inyección usando el compuesto de moldeo fenólico Vyncolit X7700. El tiempo de ciclo para fabricar los prototipos es actualmente de cuatro minutos. Los estatores mismos 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 diseño y proceso de fabricación para el motor eléctrico que permitirá su producción en masa.

El equipo ya ha completado el ensamblaje del estator y validado experimentalmente el concepto de enfriamiento. "Usamos una corriente eléctrica para introducir la cantidad de calor en los devanados de cobre que se generaría en operación real según la simulación. Descubrimos que ya podemos disipar más del 80 por ciento de las pérdidas de calor esperadas. Y ya tenemos algunos enfoques prometedores para lidiar con 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 ensamblar los rotores y pronto podremos operar el motor en el banco de pruebas del Instituto de Ingeniería Eléctrica y validarlo en operación real", dice Maertens, resumiendo el estado actual del proyecto.

Esta publicación es cortesía de la asociación de medios entre CompositesWorld y la revista Springer lightweight.design. Para más información sobre Springer y lightweight.design, vaya a https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380