Directe koeling maakt elektromotor lichter en efficiënter

Geplaatst op 10 april 2019 om 08:56 uur
Directe koeling maakt elektromotor lichter en efficiënter
Het lichter maken van elektrische auto’s is van belang voor de actieradius en dit betekent dat ook het gewicht van de motor omlaag moet. Een manier om dit te bewerkstellingen is door de de stator en rotor direct te koelen. Dit kan bovendien de vermogensdichtheid en efficiëntie van de motor verhogen.

De belangrijkste onderdelen van een elektrische aandrijflijn zijn de motor en de batterij. Bij een elektromotor spelen 3 zaken een belangrijke rol: een hoge vermogensdichtheid, een compacte configuratie en een hoog rendement.


In het DEmiL-project werken onderzoekers van Fraunhofer ICT in Pfinztal nu samen met het Institute of Vehicle System Technology (Fast) en het Institute of Electrical Engineering (ETI) van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) aan de ontwikkeling van een nieuwe aanpak. Hierin gaat het om directe koeling van de stator en rotor.

 

"Een elektrische motor bestaat uit een rotor en een stilstaande stator die de koperen wikkelingen bevat waar de elektriciteit doorheen stroomt. Dit is de plek waar de meeste elektrische verliezen optreden. De nieuwe aspecten van ons nieuwe concept liggen dan ook in de stator", zegt onderzoeker Robert Maertens bij Fraunhofer ICT.

 

Platte draad in plaats van rond

Elektrische motoren hebben een rendement van meer dan 90%; de rest gaat verloren als warmte. Om oververhitting van de motor te voorkomen, wordt de warmte in de stator momenteel via een metalen behuizing naar een koelmantel geleid die is gevuld met koud water. In het DEmil-project is de ronde draad vervangen door rechthoekige platte draad, die beter in de stator kan worden gewikkeld. Hierdoor ontstaat er meer ruimte voor het koelkanaal naast de vlakke draadwikkelingen. "In dit geoptimaliseerde ontwerp kunnen de warmteverliezen worden afgevoerd via het koelkanaal in de stator waardoor het niet meer nodig is de warmte door de metalen behuizing naar een externe koelmantel te transporteren. In feite is er in dit concept helemaal geen koelmantel meer nodig. Het biedt ook andere voordelen, zoals een lagere thermische inertie en een hoger continu vermogen van de motor", aldus Maertens. Bovendien wordt in het nieuwe ontwerp een rotorkoeloplossing ingebouwd die het mogelijk maakt om het warmteverlies van de rotor op de juiste wijze in de motor af te voeren.

 

Kunststof behuizing

Door de warmte af te voeren dicht bij de plek waar hij wordt opgewekt, konden de projectpartners de behuizing van kunststof te construeren, wat tot verdere voordelen leidde. "De kunststof behuizingen zijn licht van gewicht en gemakkelijker te produceren dan aluminium behuizingen. Ze lenen zich ook voor complexe vormen zonder dat er een nabehandeling nodig is. We hebben echt bespaard op het totale gewicht en op de kosten." Het metaal dat momenteel nodig is als warmtegeleider kan worden vervangen door polymeren die in vergelijking met metalen een lage thermische geleidbaarheid hebben.

 

Serieproductie

Het team koos voor een ontwerp- en productieproces dat het mogelijk maakt de motor in massa te produceren. De assemblage van de stator is al afgerond en het koelconcept experimenteel getest. "We gebruiken elektriciteit om dezelfde hoeveelheid warmte in de koperen wikkelingen te brengen als door de echte werking ook zou worden gegenereerd. We zagen in de simulatie al dat we meer dan 80% van de verwachte warmteverliezen kunnen afvoeren. En we hebben al een aantal veelbelovende benaderingen voor de resterende warmteverliezen, bijvoorbeeld door het optimaliseren van de koelvloeistofstroom. We zijn nu in het stadium van de assemblage van de rotors en zullen binnenkort in staat zijn de motor op de testbank van het Institute of Electrical Engineering te laten draaien en in de praktijk te testen."

 
© Engineersonline.nl