Kunststof behuizing maakt motor elektrische auto lichter
Geplaatst op 09 april 2019 om 12:29 uur
Directe koeling
De twee belangrijkste onderdelen van een elektrische aandrijflijn zijn de motor en de batterij. Bij een elektromotor spelen drie zaken een belangrijke rol: een hoge vermogensdichtheid, een compacte configuratie en een hoog rendement. In het kader van het DEmiL-project (kader), een Duitse afkorting voor direct gekoelde elektromotor met geïntegreerde lichtgewicht behuizing, werken onderzoekers van Fraunhofer ICT in Pfinztal (bij Stuttgart) nu samen met het Institute of Vehicle System Technology (FAST) en het Institute of Electrical Engineering (ETI) van het KIT aan de ontwikkeling van een nieuwe aanpak. Hierin gaat het om directe koeling van de stator en rotor. "Een elektrische motor bestaat uit een rotor en een stilstaande stator die de koperen wikkelingen bevat waar de elektriciteit doorheen stroomt. Dit is de plek waar de meeste elektrische verliezen optreden. De nieuwe aspecten van ons nieuwe concept liggen dan ook in de stator", zegt onderzoeker Robert Maertens bij Fraunhofer ICT.
Platte draad in plaats van rond
Elektrische motoren hebben een rendement van meer dan negentig procent, de resterende tien procent gaat verloren als warmte. Om oververhitting van de motor te voorkomen, wordt de warmte in de stator momenteel via een metalen behuizing naar een koelmantel geleid die is gevuld met koud water. In dit project heeft het team van onderzoekers de ronde draad vervangen door rechthoekige platte draad, die beter in de stator kan worden gewikkeld. Hierdoor ontstaat er meer ruimte voor het koelkanaal naast de vlakke draadwikkelingen. "In dit geoptimaliseerde ontwerp kunnen de warmteverliezen worden afgevoerd via het koelkanaal in de stator waardoor het niet meer nodig is de warmte door de metalen behuizing naar een externe koelmantel te transporteren. In feite is er in dit concept helemaal geen koelmantel meer nodig. Het biedt ook andere voordelen, zoals een lagere thermische inertie (het vermogen van een materiaal om warmte of koelte op te nemen en daarna weer vrij te geven, red.) en een hoger continu vermogen van de motor", aldus Maertens. Bovendien wordt in het nieuwe ontwerp een rotorkoeloplossing ingebouwd die het mogelijk maakt om het warmteverlies van de rotor op de juiste wijze in de motor af te voeren.
Kunststof behuizing
Door de warmte dicht bij de plek waar hij wordt opgewekt af te voeren, konden de projectpartners de behuizing van kunststof te construeren, wat tot verdere voordelen leidde. "De kunststof behuizingen zijn licht van gewicht en gemakkelijker te produceren dan aluminium behuizingen. Ze lenen zich ook voor complexe vormen zonder dat er een nabehandeling nodig is. We hebben echt bespaard op het totale gewicht en op de kosten", weet Maertens. Het metaal dat momenteel nodig is als warmtegeleider kan worden vervangen door polymeren die in vergelijking met metalen een lage thermische geleidbaarheid hebben. De projectpartners kozen ervoor vezelversterkte, thermohardende kunststoffen van projectpartner SBHPP Vyncolit te gebruiken. Die hebben een hoge temperatuurbestendigheid en een hoge weerstand tegen agressieve koelmiddelen. In tegenstelling tot thermoplasten zwellen thermoharders niet op wanneer ze in contact komen met chemicaliën.
Serieproductie
De kunststof behuizing wordt geproduceerd in een geautomatiseerd spuitgietproces met behulp van de fenol Vyncolit X7700. De cyclustijd voor de productie van de prototypen is momenteel vier minuten. De stators zelf zijn overgoten met een thermisch geleidende epoxyhars (Sumikon EME-A730E) in het spuitgietproces. Het team van onderzoekers koos voor een ontwerp- en productieproces die het mogelijk maakt de motor in massa te produceren. Het team heeft de assemblage van de stator al afgerond en het koelconcept experimenteel getest. "We gebruiken elektriciteit om dezelfde hoeveelheid warmte in de koperen wikkelingen te brengen die door de echte werking ook zou worden gegenereerd. We zagen in de simulatie al dat we meer dan tachtig procent van de verwachte warmteverliezen kunnen afvoeren. En we hebben al een aantal veelbelovende benaderingen voor de resterende warmteverliezen van iets minder dan twintig procent, bijvoorbeeld door het optimaliseren van de koelvloeistofstroom. We zijn nu in het stadium van de assemblage van de rotors en zullen binnenkort in staat zijn de motor op de testbank van het Institute of Electrical Engineering te laten draaien en in de praktijk te testen."