Réduction de la chaleur dans les moteurs EV via un boîtier et un stator thermodurcissables renforcés de fibres

Alléger les voitures électriques, c'est aussi réduire le poids du moteur. Une façon de le faire est de le construire à partir de matériaux polymères renforcés de fibres. Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer de technologie chimique ICT travaillent en collaboration avec le KIT de l'Institut de technologie de Karlsruhe pour développer un nouveau concept de refroidissement qui permettra d'utiliser des polymères comme matériaux de boîtier de moteur. Et ce n'est pas le seul avantage du nouveau concept de refroidissement :il augmente également considérablement la densité de puissance et l'efficacité du moteur par rapport à l'état de l'art.

Les deux composants clés d'un groupe motopropulseur électrique sont le moteur électrique et la batterie. Et trois enjeux jouent un rôle particulièrement important lorsqu'il s'agit d'utiliser un moteur électrique pour une mobilité respectueuse de l'environnement :une densité de puissance élevée, une configuration compacte qui s'intègre parfaitement dans le véhicule électrique et des niveaux d'efficacité élevés. Dans le cadre du projet DEmiL – une abréviation allemande qui signifie moteur électrique à refroidissement direct avec boîtier léger intégré – les chercheurs de Fraunhofer ICT à Pfinztal travaillent maintenant avec l'Institute of Vehicle System Technology (FAST) et l'Institute of Electrical Engineering (ETI) de l'Institut de technologie de Karlsruhe KIT pour développer une nouvelle approche qui intègre le refroidissement direct du stator et du rotor. « Un moteur électrique se compose d'un rotor en rotation et d'un stator statique. Le stator contient les enroulements en cuivre à travers lesquels l'électricité circule - et c'est là que la majorité des pertes électriques se produisent. Les aspects novateurs de notre nouveau concept résident dans le stator », déclare Robert Maertens, chercheur à Fraunhofer ICT.

Le fil plat rectangulaire remplace le fil rond

Les moteurs électriques ont un rendement élevé de plus de 90 %, ce qui signifie qu'une grande partie de l'énergie électrique est convertie en énergie mécanique. Les 10 pour cent restants de l'énergie électrique sont perdus sous forme de chaleur. Pour éviter la surchauffe du moteur, la chaleur dans le stator est actuellement conduite à travers un boîtier métallique vers un manchon de refroidissement rempli d'eau froide. Dans ce projet, l'équipe de chercheurs a remplacé le fil rond par un fil plat rectangulaire qui peut être enroulé plus étroitement dans le stator. Cela crée plus d'espace pour le canal de refroidissement à côté des phases d'enroulement du fil plat. « Dans cette conception optimisée, les pertes de chaleur peuvent être dissipées par le canal de refroidissement à l'intérieur du stator, éliminant ainsi le besoin de transporter la chaleur à travers le boîtier métallique vers un manchon de refroidissement extérieur. En fait, vous n'avez plus du tout besoin d'un manchon de refroidissement dans ce concept. Il offre également d'autres avantages, notamment une inertie thermique plus faible et une sortie continue plus élevée du moteur », explique Maertens, expliquant certains des avantages du nouveau système. De plus, la nouvelle conception intègre une solution de refroidissement du rotor qui permet également de dissiper la perte de chaleur du rotor directement dans le moteur.

En dissipant la chaleur près de l'endroit où elle est générée, les partenaires du projet ont pu construire l'ensemble du moteur et du boîtier à partir de matériaux polymères, ce qui a entraîné d'autres avantages. « Les boîtiers en polymère sont légers et plus faciles à produire que les boîtiers en aluminium. Ils se prêtent également à des géométries complexes sans nécessiter de post-traitement, nous avons donc réalisé de réelles économies sur le poids et les coûts globaux », explique Maertens. Le métal actuellement requis comme conducteur thermique peut être remplacé par des matériaux polymères, qui ont une faible conductivité thermique par rapport aux métaux.

Les partenaires du projet ont choisi d'utiliser des plastiques thermodurcissables renforcés de fibres de leur partenaire de projet Sumitomo Bakelite (SBHPP) qui offrent une résistance à haute température et une résistance élevée aux liquides de refroidissement agressifs. Contrairement aux thermoplastiques, les thermodurcissables ne gonflent pas lorsqu'ils entrent en contact avec des produits chimiques.

Convient à la production en grande série

Le boîtier en polymère est produit dans un processus de moulage par injection automatisé utilisant le composé de moulage phénolique Vyncolit X7700. Le temps de cycle de fabrication des prototypes est actuellement de quatre minutes. Les stators eux-mêmes sont surmoulés avec un composé de moulage de résine époxy thermoconductrice (Sumikon EME-A730E) dans un processus de moulage par transfert. L'équipe de chercheurs a choisi un procédé de conception et de fabrication du moteur électrique qui permettra sa production en série.

L'équipe a déjà terminé l'assemblage du stator et validé expérimentalement le concept de refroidissement. « Nous avons utilisé un courant électrique pour introduire la quantité de chaleur dans les enroulements de cuivre qui serait générée en fonctionnement réel selon la simulation. Nous avons constaté que nous pouvons déjà dissiper plus de 80 % des pertes de chaleur attendues. Et nous en avons déjà des promesses. approches pour faire face aux déperditions thermiques résiduelles d'un peu moins de 20 %, par exemple en optimisant le flux de fluide caloporteur.Nous sommes maintenant au stade de l'assemblage des rotors et pourrons bientôt faire fonctionner le moteur sur le banc d'essai de l'Institut de Génie électrique et validez-le en fonctionnement réel », explique Maertens, résumant l'état actuel du projet.

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