创新纤维增强热固性外壳降低电动汽车电机热量

减轻电动汽车重量也涉及减轻电机重量。一种途径是用纤维增强聚合物材料制造电机。Fraunhofer 化学技术研究所 ICT 的研究人员正与卡尔斯鲁厄理工学院 KIT 合作，开发一种新冷却概念，使聚合物可用作电机外壳材料。这不仅是唯一优势：新冷却概念还能显著提升电机功率密度和效率，超越现有水平。

电驱动系统的两大核心部件是电机和电池。采用电机实现环保出行有三个关键问题：高功率密度、适配电动汽车的紧凑布局、高效率。作为 DEmiL 项目（德语“集成轻量化外壳的直接冷却电机”缩写）一部分，Fraunhofer ICT（平茨塔尔）研究人员与 KIT 车辆系统技术研究所（FAST）和电气工程研究所（ETI）合作，开发定子和转子直接冷却的新方法。“电机由转子和定子组成。定子含铜绕组，电流流经此处——这也是大部分电损耗发生的地方。我们新概念的创新点在于定子，”Fraunhofer ICT 研究员 Robert Maertens 表示。

扁平矩形线替代圆线

电机效率超 90%，大部分电能转为机械能。剩余约 10% 电能以热形式损失。为防过热，目前定子热量通过金属外壳传导至填冷水的冷却套。本项目中，团队用可在定子中更紧密绕制的矩形扁平线替代圆线。这为扁平线绕组相位旁的冷却通道创造更多空间。“在该优化设计中，热损耗可通过定子内部冷却通道散出，无需经金属外壳传至外部冷却套。事实上该概念完全不需要冷却套。还提供其他优势，包括更低热惯性和更高电机持续输出，”Maertens 解释新系统优势。此外，新设计包含转子冷却方案，也可直接在电机内散发转子热损耗。

通过在热量产生附近散热，项目合作伙伴得以用聚合物材料制造整个电机和外壳，带来进一步优势。“聚合物外壳轻量且比铝外壳更易生产。它们也适合无需后处理的复杂几何形状，因此我们在总重量和成本上实现真正节省，”Maertens 说。目前作为热导体所需的金属可被聚合物材料替代，后者热导率远低于金属。

项目合作伙伴选择其合作伙伴住友贝克莱特（SBHPP）的纤维增强热固性塑料，提供耐高温和耐腐蚀冷却液性能。与热塑性不同，热固性接触化学品不膨胀。

适合大批量生产

聚合物外壳通过自动化注塑工艺用酚醛模塑料 Vyncolit X7700 生产。原型制造周期目前为四分钟。定子本身用导热环氧模塑料 Sumikon EME-A730E 通过传递模塑工艺包覆。研究团队为电机选择了可实现大批量生产的设计和制造工艺。

团队已完成定子组装并实验验证冷却概念。“我们向铜绕组输入按仿真真实运行产生的热量。发现已能散发超 80% 预期热损耗。对于不足 20% 的剩余热损耗已有优化冷却液流动等有希望的方案。现处于转子组装阶段，很快可在电气工程研究所试验台运行电机并实操验证，”Maertens 总结项目现状。

本文由 CompositesWorld 与 Springer lightweight.design 杂志 媒体合作提供。更多关于 Springer 和 lightweight.design 信息请访问 https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380

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