Att göra elbilar lättare innebär också att motorns vikt minskar. Ett sätt att göra det är genom att konstruera det av fiberförstärkta polymermaterial. Forskare vid Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT arbetar tillsammans med Karlsruhe Institute of Technology KIT för att utveckla ett nytt kylkoncept som gör det möjligt att använda polymerer som material för motorhus. Och det är inte den enda fördelen med det nya kylkonceptet:det ökar också motorns effekttäthet och effektivitet avsevärt jämfört med den senaste tekniken.

De två nyckelkomponenterna i en elektrisk drivlina är elmotorn och batteriet. Och det finns tre frågor som spelar en särskilt viktig roll när det gäller att använda en elmotor för miljövänlig mobilitet:hög effekttäthet, en kompakt konfiguration som passar in i elfordonet, och hög effektivitet. Som en del av DEmiL-projektet – en tysk förkortning som står för direktkyld elmotor med integrerat lättviktshölje – arbetar nu forskare vid Fraunhofer ICT i Pfinztal med Institute of Vehicle System Technology (FAST) och Institute of Electrical Engineering (ETI) ) vid Karlsruhe Institute of Technology KIT för att utveckla ett nytt tillvägagångssätt som inkluderar direkt kylning av statorn och rotorn. "En elmotor består av en roterande rotor och en statisk stator. Statorn innehåller kopparlindningarna som elektriciteten strömmar genom – och det är här de flesta elektriska förluster uppstår. De nya aspekterna av vårt nya koncept ligger i statorn, säger Robert Maertens, en forskare vid Fraunhofer ICT.

Rektangulär platt tråd ersätter rund tråd

Elmotorer har en hög verkningsgrad på över 90 procent, vilket innebär att en hög andel av den elektriska energin omvandlas till mekanisk energi. De återstående 10 procenten eller så av den elektriska energin går förlorad i form av värme. För att förhindra att motorn överhettas, värmen i statorn leds för närvarande genom ett metallhus till en kylhylsa fylld med kallt vatten. I detta projekt, forskargruppen har ersatt den runda tråden med rektangulär platt tråd som kan lindas tätare i statorn. Detta skapar mer utrymme för kylkanalen bredvid plantrådslindningsfaserna. "I denna optimerade design, värmeförlusterna kan avledas genom kylkanalen inuti statorn, eliminerar behovet av att transportera värmen genom metallhöljet till en yttre kylhylsa. Faktiskt, du behöver inte längre någon kylhylsa alls i detta koncept. Det ger andra fördelar, för, inklusive lägre termisk tröghet och högre kontinuerlig effekt från motorn, säger Maertens, förklara några av fördelarna med det nya systemet. Dessutom, den nya designen innehåller en rotorkylningslösning som även gör att rotorns värmeförlust kan avledas direkt i motorn.

Genom att avleda värmen nära där den genereras, projektpartnerna kunde konstruera hela motorn och huset av polymermaterial, leder till ytterligare fördelar. "Polymerhöljen är lätta och lättare att tillverka än aluminiumhöljen. De lämpar sig också för komplexa geometrier utan att behöva efterbearbeta, så vi gjorde några rejäla besparingar på totalvikt och kostnad, " säger Maertens. Den metall som för närvarande krävs som värmeledare kan ersättas med polymermaterial, som har låg värmeledningsförmåga jämfört med metaller.

Projektpartnerna valde att använda fiberförstärkta, härdplast som ger hög temperaturbeständighet och hög motståndskraft mot aggressiva kylmedel. Till skillnad från termoplaster, härdplaster sväller inte när de kommer i kontakt med kemikalier.

Lämplig för stor serieproduktion

Polymerhöljet tillverkas i en automatiserad formsprutningsprocess. Cykeltiden för att tillverka prototyperna är för närvarande fyra minuter. Själva statorerna är övergjutna med en termiskt ledande epoxihartsformningsmassa i en transferformningsprocess. Teamet av forskare valde en design- och tillverkningsprocess för elmotorn som gör att den kan masstillverkas.

Teamet har redan slutfört statormonteringen och experimentellt validerat kylkonceptet. "Vi använde en elektrisk ström för att införa mängden värme i kopparlindningarna som skulle genereras i verklig drift enligt simuleringen. Vi fann att vi redan kan skingra över 80 procent av de förväntade värmeförlusterna. Och vi har redan några lovande metoder för att hantera de återstående värmeförlusterna på knappt 20 procent, till exempel genom att optimera kylvätskeflödet. Vi är nu i fasen av monteringen av rotorerna och kommer snart att kunna köra motorn på testbänken på Institutet för elektroteknik och validera den i verklig drift, säger Maertens, summerar projektets nuvarande status.