Redução do calor em motores EV por meio de invólucro termofixo reforçado com fibra e estator

Tornar os carros elétricos mais leves também envolve a redução do peso do motor. Uma maneira de fazer isso é construí-lo com materiais poliméricos reforçados com fibra. Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Tecnologia Química ICT estão trabalhando em conjunto com o KIT do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe para desenvolver um novo conceito de resfriamento que permitirá que polímeros sejam usados ​​como materiais de carcaça de motor. E essa não é a única vantagem do novo conceito de refrigeração:também aumenta significativamente a densidade de potência e a eficiência do motor em comparação com o estado da arte.

Os dois componentes principais de um trem de força elétrico são o motor elétrico e a bateria. E há três questões que desempenham um papel particularmente importante quando se trata de usar um motor elétrico para mobilidade ecológica:alta densidade de potência, uma configuração compacta que se encaixa perfeitamente no veículo elétrico e altos níveis de eficiência. Como parte do projeto DEmiL - uma abreviatura alemã que significa motor elétrico refrigerado diretamente com carcaça leve integrada - pesquisadores da Fraunhofer ICT em Pfinztal estão agora trabalhando com o Instituto de Tecnologia de Sistemas Veiculares (FAST) e o Instituto de Engenharia Elétrica (ETI) no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe KIT para desenvolver uma nova abordagem que incorpora o resfriamento direto do estator e do rotor. “Um motor elétrico consiste em um rotor giratório e um estator estático. O estator contém os enrolamentos de cobre por onde a eletricidade flui - e é aqui que ocorre a maioria das perdas elétricas. Os novos aspectos de nosso novo conceito estão no estator ”, diz Robert Maertens, pesquisador da Fraunhofer ICT.

Arame plano retangular substitui arame redondo

Os motores elétricos têm uma alta eficiência de mais de 90 por cento, o que significa que uma grande proporção da energia elétrica é convertida em energia mecânica. Os 10% restantes ou mais da energia elétrica são perdidos na forma de calor. Para evitar o superaquecimento do motor, o calor no estator é atualmente conduzido através de uma carcaça de metal para uma luva de resfriamento cheia de água fria. Neste projeto, a equipe de pesquisadores substituiu o fio redondo por um fio plano retangular que pode ser enrolado com mais força no estator. Isso cria mais espaço para o canal de resfriamento próximo às fases do enrolamento do fio plano. “Neste projeto otimizado, as perdas de calor podem ser dissipadas através do canal de resfriamento dentro do estator, eliminando a necessidade de transportar o calor através da carcaça de metal para uma manga de resfriamento externa. Na verdade, você não precisa mais de uma manga de resfriamento neste conceito. Também oferece outros benefícios, incluindo menor inércia térmica e maior saída contínua do motor ”, diz Maertens, explicando algumas das vantagens do novo sistema. Além disso, o novo design incorpora uma solução de resfriamento do rotor que também permite que a perda de calor do rotor seja dissipada diretamente dentro do motor.

Ao dissipar o calor perto de onde ele é gerado, os parceiros do projeto foram capazes de construir todo o motor e a carcaça com materiais poliméricos, levando a outras vantagens. “As caixas de polímero são leves e mais fáceis de produzir do que as caixas de alumínio. Eles também se prestam a geometrias complexas sem exigir pós-processamento, portanto, fizemos algumas economias reais no peso e custo geral ”, diz Maertens. O metal atualmente necessário como condutor de calor pode ser substituído por materiais poliméricos, que apresentam baixa condutividade térmica em comparação aos metais.

Os parceiros do projeto optaram por usar plásticos termofixos reforçados com fibra de seu parceiro de projeto Sumitomo Bakelite (SBHPP), que oferecem resistência a altas temperaturas e alta resistência a refrigerantes agressivos. Ao contrário dos termoplásticos, os termofixos não incham quando entram em contato com produtos químicos.

Adequado para produção em grande série

O invólucro de polímero é produzido em um processo de moldagem por injeção automatizado usando o composto de moldagem fenólico Vyncolit X7700. O tempo de ciclo de fabricação dos protótipos atualmente é de quatro minutos. Os próprios estatores são sobremoldados com um composto de moldagem de resina epóxi termicamente condutivo (Sumikon EME-A730E) em um processo de moldagem por transferência. A equipe de pesquisadores escolheu um processo de projeto e fabricação para o motor elétrico que permitirá sua produção em massa.

A equipe já concluiu a montagem do estator e validou experimentalmente o conceito de resfriamento. “Usamos uma corrente elétrica para introduzir a quantidade de calor nos enrolamentos de cobre que seria gerada em operação real de acordo com a simulação. Descobrimos que já podemos dissipar mais de 80% das perdas de calor esperadas. E já temos alguns resultados promissores abordagens para lidar com as perdas de calor restantes de pouco menos de 20 por cento, por exemplo, otimizando o fluxo do refrigerante. Estamos agora na fase de montagem dos rotores e em breve poderemos operar o motor na bancada de testes do Instituto de Engenharia Elétrica e validá-lo em operação real ”, diz Maertens, resumindo o estágio atual do projeto.

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