Инновационный термореактивный корпус двигателя EV с волокнистым усилением снижает нагрев

Облегчение электромобилей также подразумевает уменьшение веса двигателя. Один из способов — изготовление его из волокнисто-упластиченных полимеров. Исследователи Института химической технологии Fraunhofer ICT совместно с Карсрухским технологическим институтом KIT разрабатывают новую концепцию охлаждения, позволяющую использовать полимеры как материалы корпуса двигателя. Это не единственное преимущество: новая концепция также значительно повышает удельную мощность и КПД двигателя по сравнению с современным уровнем.

Два ключевых компонента электропривода — электродвигатель и батарея. Для экологичной мобильности критически важны: высокая удельная мощность, компактная конструкция, помещающаяся в ЭВ, и высокий КПД. В рамках проекта DEmiL (немецкая аббревиатура: прямоочлаждаемый электродвигатель с интегрированным легким корпусом) исследователи Fraunhofer ICT в Пфинцтале работают с Институтом технологий транспортных средств (FAST) и Институтом электротехники (ETI) KIT над новым подходом с прямым охлаждением статора и ротора. «Электродвигатель состоит из вращающегося ротора и неподвижного статора. Статор содержит медные обмотки, через которые течет электричество — здесь возникает большинство электрических потерь. Новинка нашей концепции кроется в статоре», — говорит Роберт Мертенс, исследователь Fraunhofer ICT.

Прямоугольный плоский провод вместо круглого

Электродвигатели имеют КПД свыше 90%, то есть большая часть электрической энергии превращается в механическую. Оставшиеся ~10% теряются в виде тепла. Чтобы избежать перегрева, тепло от статора сейчас отводится через металлический корпус к охлаждающей оболочке с холодной водой. В проекте круглый провод заменен прямоугольным плоским, который можно намотать плотнее в статоре. Это создает больше места для охлаждающего канала рядом с фазами обмотки плоского провода. «В этой оптимизированной конструкции тепловые потери отводятся через внутренний охлаждающий канал статора, исключая необходимость переноса тепла через металлический корпус к внешней охлаждающей оболочке. Фактически, охлаждающая оболочка вообще не нужна. Это дает и другие преимущества: ниже тепловая инерция и выше непрерывная мощность», — объясняет Мертенс. Новая конструкция также включает решение для охлаждения ротора, позволяющее отводить его тепловые потери непосредственно внутри двигателя.

Отводя тепло близко к месту его возникновения, партнеры смогли изготовить весь двигатель и корпус из полимерных материалов, что дает дополнительные преимущества. «Полимерные корпуса легче и проще в производстве, чем алюминиевые. Они позволяют сложные геометрии без постобработки, давая реальную экономию веса и стоимости», — говорит Мертенс. Металл, пока нужен как теплопроводник, может быть заменен полимерами с низкой теплопроводностью по сравнению с металлами.

Партнеры выбрали волокнисто-упластиченные термореактивные пластики от партнера Sumitomo Bakelite (SBHPP) с высокой термостойкостью и устойчивостью к агрессивным охлаждающим жидкостям. В отличие от термопластов, термореактивные пластики не набухают при контакте с химикатами.

Готовность к крупносерийному производству

Полимерный корпус производится автоматизированным литьем под давлением из фенольного прессовочного материала Vyncolit X7700. Цикл изготовления прототипов сейчас составляет 4 минуты. Статоры отливаются термически проводимой эпоксидной прессовочной массой (Sumikon EME-A730E) методом переносного литья. Выбраны дизайн и технологический процесс, позволяющие массовое производство.

Команда уже завершила сборку статора и экспериментально подтвердила концепцию охлаждения. «Мы использовали электрический ток для введения тепла в медные обмотки, соответствующего реальной работе по симуляции. Удалось отвести уже более 80% ожидаемых тепловых потерь. Есть многообещающие подходы для оставшихся <20%, например, оптимизация потока охлаждающей жидкости. Сейчас на этапе сборки роторов и скоро сможем испытать двигатель на стенде Института электротехники и валидировать в реальной работе», — резюмирует Мертенс.

Материал предоставлен в рамках партнерства CompositesWorld и журнала Springer lightweight.design. Подробнее о Springer и lightweight.design: https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380