Электродвигатель прямого охлаждения из полимеров

Создание более легкого электромобиля предполагает снижение веса двигателя. Один из возможных вариантов - использование армированных полимерных материалов. Исследователи из «Института химической технологии» Fraunhofer ICT совместно с Технологическим институтом Карлсруэ (KIT) работают над новой концепцией охлаждения, позволяющей использовать полимеры для создания корпуса двигателя. И это не единственное преимущество новой концепции: она также значительно увеличивает плотность мощности и КПД двигателя по сравнению с существующими моделями.

Электродвигатель в разрезе. Сердечник мотора - статор состоит из 12 индивидуальных зубцов, обмотанных плоским проводом

Двумя ключевыми компонентами электрической трансмиссии являются электродвигатель и аккумулятор. И три вопроса, который играют особенно важную роль, когда речь идет об использовании электродвигателя для экологически чистой мобильности: высокая плотность мощности, компактная конфигурация, которая вписывается в электрическое транспортное средство и высокий уровень эффективности.

Контур охлаждения в статоре

В рамках проекта DEmiL – это немецкая аббревиатура расшифровывается как «электродвигатель прямого охлаждения с интегрированным легким корпусом» – исследователи из Fraunhofer ICT в Пфинцтале совместно с коллегами из FAST, ETI и Технологического института Карлсруэ, разрабатывают новый подход, основывающийся на прямом охлаждение статора и ротора.

“Электродвигатель состоит из вращающегося ротора и статического статора. Статор содержит медную обмотку, через которую проходит электричество – и здесь происходит большинство электрических потерь. - говорит Роберт Маертенс (Robert Maertens), исследователь из Fraunhofer ICT. - Элемент новизны нашей концепции лежит в статоре".

Прямоугольная плоская проволока заменяет круглый провод

КПД электродвигателей более 90 % - это означает, что большая часть электрической энергии преобразуется в механическую. Оставшиеся 10 % электрической энергии теряются в виде тепла. Чтобы предотвратить перегрев двигателя, тепло статора в настоящее время проводится через металлический корпус к охлаждающей полой оболочке, заполненной холодной водой.

В новом проекте круглый провод заменили прямоугольным плоским проводом, который более плотно наматывается в статоре. Это дает больше пространства для охлаждающего канала рядом с участками намотки плоской проволоки.

“В этой оптимизированной конструкции тепловые потери могут быть рассеяны через охлаждающий канал внутри статора, что исключает необходимость передачи тепла через металлический корпус к внешней охлаждающей оболочке, - объясняет преимущества новой системы Роберт Маертенс. - На самом деле, вам больше не потребуется охлаждающая оболочка в этой концепции. Новый проект предлагает и другие преимущества, в том числе более низкую тепловую инерцию и более высокую длительно отдаваемую мощность двигателя".

Вдобавок, новая конструкция включает в себя решение по охлаждению ротора, которое также позволяет рассеивать тепло ротора внутри двигателя.

Рассеивание тепла близко к месту его образования, позволило участникам проекта сконструировать весь двигатель и корпус из полимерных материалов, что дало дополнительные преимущества.

“Полимерные корпуса легче и проще в производстве, чем алюминиевые. Они также могут иметь сложную геометрию без дополнительной обработки, поэтому мы реально сэкономили на общем весе и стоимости”,- отметил Маертенс.

Металл, используемый сейчас в качестве теплопроводника, может быть заменен полимерными материалами, имеющими низкую теплопроводность по сравнению с металлами.

Партнеры проекта решили использовать армированные термореактивные пластмассы своего партнера по проекту SBHPP, обеспечивающие высокую термостойкость и устойчивость к агрессивным теплоносителям. В отличие от термопластов, термоактивные материалы не набухают при контакте с химическими веществами.

Графики зависимости мощности и момента с КПД

Характеристики нового двигателя:

Длительная мощность: ̴ 50 кВт, максимальная частота вращения: 17.000 об/мин.

Готовы для серийного производства

Полимерный корпус производится с помощью литья под давлением с использованием фенольной формовочной смеси Vyncolit X7700. Время цикла изготовления прототипов в настоящее время составляет четыре минуты. Статоры сами отформованы из термопроводящей эпоксидной смолы (Sumikon EME-A730E).

Команда исследователей выбрала конструкцию и производственный процесс, который позволит производить новые электродвигатели серийно.

Уже выполнена сборка статора и экспериментально подтверждена концепция охлаждения. "Мы использовали электрический ток, чтобы нагреть медные обмотки так, будет происходить в реальных условиях в соответствии с моделированием. И обнаружили, что уже сейчас способны рассеять более 80 процентов ожидаемых тепловых потерь. У нас уже есть несколько перспективных подходов для борьбы с оставшимися 20 процентами, например, за счет оптимизации потока теплоносителя. Мы находимся на стадии сборки роторов и в ближайшее время сможем протестировать двигатель на испытательном стенде в Институте электротехники ETI и доказать его пригодность к реальной эксплуатации”, - подвел промежуточные итоги работы Роберт Маертенс.