Rendere più leggere le auto elettriche comporta anche la riduzione del peso del motore. Un modo per farlo è costruirlo con materiali polimerici rinforzati con fibre. I ricercatori del Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT stanno lavorando insieme al Karlsruhe Institute of Technology KIT per sviluppare un nuovo concetto di raffreddamento che consentirà di utilizzare i polimeri come materiali per l'alloggiamento del motore. E questo non è l'unico vantaggio del nuovo concetto di raffreddamento:aumenta anche significativamente la densità di potenza e l'efficienza del motore rispetto allo stato dell'arte.

I due componenti chiave di una trasmissione elettrica sono il motore elettrico e la batteria. E ci sono tre questioni che giocano un ruolo particolarmente importante quando si tratta di utilizzare un motore elettrico per una mobilità ecologica:alta densità di potenza, una configurazione compatta che si adatta perfettamente al veicolo elettrico, e alti livelli di efficienza. Nell'ambito del progetto DEmiL - un'abbreviazione tedesca che sta per motore elettrico a raffreddamento diretto con alloggiamento leggero integrato - i ricercatori del Fraunhofer ICT di Pfinztal stanno ora lavorando con l'Institute of Vehicle System Technology (FAST) e l'Institute of Electrical Engineering (ETI ) presso il Karlsruhe Institute of Technology KIT per sviluppare un nuovo approccio che incorpori il raffreddamento diretto dello statore e del rotore. "Un motore elettrico è costituito da un rotore rotante e uno statore statico. Lo statore contiene gli avvolgimenti di rame attraverso i quali scorre l'elettricità - ed è qui che si verificano la maggior parte delle perdite elettriche. Gli aspetti nuovi del nostro nuovo concetto risiedono nello statore, "dice Robert Maertens, ricercatore presso Fraunhofer ICT.

Il filo piatto rettangolare sostituisce il filo tondo

I motori elettrici hanno un'elevata efficienza di oltre il 90%, il che significa che un'elevata percentuale dell'energia elettrica viene convertita in energia meccanica. Il restante 10% circa dell'energia elettrica viene disperso sotto forma di calore. Per evitare il surriscaldamento del motore, il calore nello statore è attualmente condotto attraverso un alloggiamento metallico ad un manicotto di raffreddamento riempito con acqua fredda. In questo progetto, il team di ricercatori ha sostituito il filo tondo con filo piatto rettangolare che può essere avvolto più strettamente nello statore. Questo crea più spazio per il canale di raffreddamento vicino alle fasi di avvolgimento del piatto. "In questo design ottimizzato, le perdite di calore possono essere dissipate attraverso il canale di raffreddamento all'interno dello statore, eliminando la necessità di trasportare il calore attraverso l'alloggiamento in metallo a un manicotto di raffreddamento esterno. Infatti, non hai più bisogno di un manicotto di raffreddamento in questo concetto. Offre altri vantaggi, pure, compresa una minore inerzia termica e una maggiore potenza continua dal motore, "dice Maertens, spiegando alcuni dei vantaggi del nuovo sistema. Inoltre, il nuovo design incorpora una soluzione di raffreddamento del rotore che consente anche di dissipare la perdita di calore del rotore direttamente all'interno del motore.

Dissipando il calore vicino a dove viene generato, i partner del progetto sono stati in grado di costruire l'intero motore e l'alloggiamento con materiali polimerici, portando a ulteriori vantaggi. "Gli alloggiamenti in polimero sono leggeri e più facili da produrre rispetto agli alloggiamenti in alluminio. Si prestano anche a geometrie complesse senza richiedere post-elaborazione, quindi abbiamo realizzato dei risparmi reali sul peso e sui costi complessivi, " dice Maertens. Il metallo attualmente richiesto come conduttore di calore può essere sostituito da materiali polimerici, che hanno una bassa conducibilità termica rispetto ai metalli.

I partner del progetto hanno scelto di utilizzare fibre rinforzate, plastiche termoindurenti che offrono resistenza alle alte temperature ed elevata resistenza ai refrigeranti aggressivi. A differenza dei termoplastici, i termoindurenti non si gonfiano quando entrano in contatto con sostanze chimiche.

Adatto per la produzione di grandi serie

L'alloggiamento in polimero è prodotto in un processo di stampaggio a iniezione automatizzato. Il tempo di ciclo per la produzione dei prototipi è attualmente di quattro minuti. Gli stessi statori sono sovrastampati con un composto per stampaggio in resina epossidica termicamente conduttivo in un processo di stampaggio a trasferimento. Il team di ricercatori ha scelto un processo di progettazione e produzione per il motore elettrico che ne consentirà la produzione in serie.

Il team ha già completato l'assemblaggio dello statore e convalidato sperimentalmente il concetto di raffreddamento. "Abbiamo usato una corrente elettrica per introdurre la quantità di calore negli avvolgimenti di rame che sarebbe stata generata nel funzionamento reale secondo la simulazione. Abbiamo scoperto che possiamo già dissipare oltre l'80% delle perdite di calore previste. E abbiamo già alcune promettenti approcci per affrontare le perdite di calore rimanenti di poco meno del 20 percento, ad esempio ottimizzando il flusso del liquido di raffreddamento. Siamo ora nella fase di assemblaggio dei rotori e presto saremo in grado di far funzionare il motore sul banco di prova presso l'Istituto di Ingegneria Elettrica e convalidarlo nel funzionamento reale, "dice Maertens, riassumendo lo stato attuale del progetto.