Hacer los coches eléctricos más ligeros también implica reducir el peso del motor. Una forma de hacerlo es construyéndolo con materiales poliméricos reforzados con fibra. Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología Química de ICT están trabajando junto con el KIT del Instituto de Tecnología de Karlsruhe para desarrollar un nuevo concepto de enfriamiento que permitirá que los polímeros se utilicen como materiales de la carcasa del motor. Y esa no es la única ventaja del nuevo concepto de enfriamiento: también aumenta significativamente la densidad de potencia y la eficiencia del motor en comparación con el estado de la técnica.
Los dos componentes clave de un coche eléctrico son el motor eléctrico y la batería. Y hay tres cuestiones que desempeñan un papel particularmente importante cuando se trata de usar un motor eléctrico para una movilidad ecológica: alta densidad de potencia, una configuración compacta que encaja perfectamente dentro del vehículo eléctrico y altos niveles de eficiencia. Como parte del proyecto DEmiL, una abreviatura alemana que significa motor eléctrico enfriado directamente con carcasa liviana integrada- los investigadores de Fraunhofer ICT en Pfinztal ahora están trabajando con el Instituto de Tecnología de Sistemas de Vehículos (FAST), el Instituto de Ingeniería Eléctrica (ETI) y el KIT del Instituto de Tecnología de Karlsruhe para desarrollar un enfoque novedoso que incorpore el enfriamiento directo del estator y el rotor. “Un motor eléctrico consta de un rotor giratorio y un estator estático. El estator contiene los devanados de cobre por los que fluye la electricidad, y es aquí donde se producen la mayoría de las pérdidas eléctricas. Los aspectos novedosos de nuestro nuevo concepto se encuentran en el estator”. dice Robert Maertens, investigador de Fraunhofer ICT.
Los motores eléctricos tienen una alta eficiencia de más del 90 por ciento, lo que significa que una alta proporción de la energía eléctrica se convierte en energía mecánica. El 10 por ciento restante de la energía eléctrica se pierde en forma de calor. Para evitar que el motor se sobrecaliente, el calor en el estator se conduce actualmente a través de una carcasa de metal a un manguito de enfriamiento lleno de agua fría. En este proyecto, el equipo de investigadores ha reemplazado el cable redondo con un cable plano rectangular que se puede enrollar más apretado en el estator. Esto crea más espacio para el canal de enfriamiento al lado de las fases de bobinado del cable plano. “En este diseño optimizado, las pérdidas de calor se pueden disipar a través del canal de enfriamiento dentro del estator, eliminando la necesidad de transportar el calor a través de la carcasa de metal a un manguito de enfriamiento exterior. De hecho, ya no necesita un manguito de enfriamiento. Este concepto. También ofrece otros beneficios, como una menor inercia térmica y una mayor salida continua del motor “, dice Maertens, explicando algunas de las ventajas del nuevo sistema. Adicionalmente,
Al disipar el calor cerca de donde se genera, los socios del proyecto pudieron construir todo el motor y la carcasa a partir de materiales poliméricos, lo que generó más ventajas. “Las carcasas de polímero son livianas y más fáciles de producir que las carcasas de aluminio. También se prestan a geometrías complejas sin necesidad de procesamiento posterior, por lo que hicimos algunos ahorros reales en peso y costo general”, dice Maertens. El metal requerido actualmente como conductor de calor puede ser reemplazado por materiales poliméricos, que tienen una baja conductividad térmica en comparación con los metales.
Los socios del proyecto optaron por utilizar plásticos termoestables reforzados con fibra que ofrecen resistencia a altas temperaturas y alta resistencia a los refrigerantes agresivos. A diferencia de los termoplásticos, los termoestables no se hinchan cuando entran en contacto con productos químicos.
Figura 1. Circuito de refrigerante en el estator.
Adecuado para grandes series de producción.
Al disipar el calor cerca de donde se genera, los La carcasa de polímero se produce en un proceso automatizado de moldeo por inyección, donde el tiempo para la fabricación es actualmente de cuatro minutos. Los propios estatores están sobremoldeados con un compuesto de moldeo de resina epoxi térmicamente conductor en un proceso de moldeo por transferencia. El equipo de investigadores eligió un proceso de diseño y fabricación para el motor eléctrico que permitirá que se produzca en masa.
El equipo ya completó el ensamblaje del estator y validó experimentalmente el concepto de enfriamiento. “Utilizamos una corriente eléctrica para introducir la cantidad de calor en los devanados de cobre que se generaría en la operación real de acuerdo con la simulación. Descubrimos que ya podemos disipar más del 80 por ciento de las pérdidas de calor esperadas. Y ya tenemos algunas promesas. enfoques para enfrentar las pérdidas de calor remanentes de poco menos del 20 por ciento, por ejemplo, optimizando el flujo de refrigerante. Ahora estamos en la etapa de montaje de los rotores y pronto podremos operar el motor en el banco de pruebas del Instituto de Ingeniería eléctrica y valídelo en operación real “, dice Maertens, resumiendo el estado actual del proyecto.
