Carcaça de Motor EV em Termofixo Reforçado com Fibra Reduz Calor de Forma Inovadora

Tornar carros elétricos mais leves também envolve reduzir o 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 junto com o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe KIT 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 resfriamento: ele também aumenta significativamente a densidade de potência e a eficiência do motor em comparação ao estado da arte.

Fio Retangular Plano Substitui Fio Redondo

Os dois componentes principais de um trem de força elétrico são o motor elétrico e a bateria. E três questões desempenham papel particularmente importante quando se trata de usar um motor elétrico para mobilidade ecológica: alta densidade de potência, uma configuração compacta que se encaixe perfeitamente no veículo elétrico, e altos níveis de eficiência. Como parte do projeto DEmiL — uma abreviação alemã para motor elétrico resfriado diretamente com carcaça leve integrada — pesquisadores do Fraunhofer ICT em Pfinztal estão agora trabalhando com o Instituto de Tecnologia de Sistemas de Veículos (FAST) e o Instituto de Engenharia Elétrica (ETI) no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe KIT para desenvolver uma abordagem inovadora que incorpora resfriamento direto do estator e rotor. "Um motor elétrico consiste em um rotor rotativo e um estator estático. O estator contém os enrolamentos de cobre pelos quais a eletricidade flui — e é onde ocorre a maior parte das perdas elétricas. Os aspectos inovadores do nosso novo conceito estão no estator", diz Robert Maertens, pesquisador do Fraunhofer ICT.

Motores elétricos têm alta eficiência de mais de 90%, o que significa que uma alta 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 superaquecimento do motor, o calor no estator é atualmente conduzido através de uma carcaça metálica para uma camisa de resfriamento cheia de água fria. Neste projeto, a equipe de pesquisadores substituiu o fio redondo por fio plano retangular que pode ser enrolado mais firmemente no estator. Isso cria mais espaço para o canal de resfriamento ao lado das fases de enrolamento de fio plano. "Neste design 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 metálica para uma camisa de resfriamento externa. De fato, você não precisa mais de uma camisa de resfriamento neste conceito. Oferece outros benefícios também, 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 próximo a onde é gerado, os parceiros do projeto puderam construir todo o motor e carcaça de materiais poliméricos, levando a mais vantagens. "Carcasas poliméricas são leves e mais fáceis de produzir que carcaças de alumínio. Elas também se adaptam a geometrias complexas sem requerer pós-processamento, então fizemos economias reais no peso e custo geral", diz Maertens. O metal atualmente requerido como condutor de calor pode ser substituído por materiais poliméricos, que têm baixa condutividade térmica comparada a metais.

Os parceiros do projeto escolheram usar plásticos termofixos reforçados com fibra de seu parceiro de projeto Sumitomo Bakelite (SBHPP) que oferecem alta resistência à temperatura e alta resistência a refrigerantes agressivos. Ao contrário de termoplásticos, termofixos não incham quando entram em contato com químicos.

Adequado para Produção em Grande Série

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

A equipe já completou 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 algumas abordagens promissoras para lidar com as perdas de calor restantes de pouco menos de 20%, por exemplo, otimizando o fluxo de refrigerante. Estamos agora no estágio de montar os rotores e em breve poderemos operar o motor no banco de testes do Instituto de Engenharia Elétrica e validá-lo em operação real", diz Maertens, resumindo o status atual do projeto.

Este post é cortesia da parceria de mídia entre a CompositesWorld e a revista Springer lightweight.design. Para mais informações sobre Springer e lightweight.design, acesse https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380