Boîtier de moteur EV en thermodurcissable renforcé de fibres : refroidissement innovant

Rendre les voitures électriques plus légères implique aussi de réduire le poids du moteur. Une façon d'y parvenir est de le construire en matériaux polymères renforcés de fibres. Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la technologie chimique ICT travaillent avec l'Institut de technologie de Karlsruhe KIT pour développer un nouveau concept de refroidissement qui permettra d'utiliser des polymères comme matériaux de carter de moteur. Et ce n'est pas le seul avantage : ce concept augmente également significativement la densité de puissance et l'efficacité du moteur par rapport à l'état de l'art.

Les deux composants clés d'une chaîne de traction électrique sont le moteur électrique et la batterie. Trois enjeux sont particulièrement importants pour l'utilisation d'un moteur électrique pour une mobilité respectueuse de l'environnement : haute densité de puissance, configuration compacte s'insérant aisément dans le véhicule électrique, et haut niveau d'efficacité. Dans le cadre du projet DEmiL — abréviation allemande pour « moteur électrique à refroidissement direct avec carter léger intégré » — des chercheurs de Fraunhofer ICT à Pfinztal travaillent avec l'Institut de technologie des systèmes de véhicules (FAST) et l'Institut de génie électrique (ETI) du KIT pour développer une nouvelle approche intégrant le refroidissement direct du stator et du rotor. « Un moteur électrique se compose d'un rotor tournant et d'un stator fixe. Le stator contient les enroulements en cuivre par où passe l'électricité — et c'est là que se produisent la majorité des pertes électriques. Les aspects novateurs de notre nouveau concept résident dans le stator », explique Robert Maertens, chercheur à Fraunhofer ICT.

Fil plat rectangulaire remplace le fil rond

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

En dissipant la chaleur près de là où elle est générée, les partenaires du projet ont pu construire l'ensemble du moteur et du carter en matériaux polymères, ce qui apporte d'autres avantages. « Les carters en polymère sont légers et plus faciles à produire que les carters en aluminium. Ils se prêtent aussi à des géométries complexes sans nécessiter de post-traitement, donc nous avons réalisé de vraies économies sur le poids global et le coût », dit Maertens. Le métal actuellement requis comme conducteur de chaleur peut être remplacé par des matériaux polymères, qui ont une conductivité thermique faible comparée aux métaux.

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

Adapté à la grande série

Le carter en polymère est produit par un processus de moulage par injection automatisé en utilisant le composé de moulage phénolique Vyncolit X7700. Le temps de cycle pour la fabrication des prototypes est actuellement de quatre minutes. Les stators eux-mêmes sont surmoulés avec un composé de moulage époxy thermoconducteur (Sumikon EME-A730E) dans un processus de moulage par transfert. L'équipe a choisi une conception et un processus de fabrication pour le moteur électrique qui permettront 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 en 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 avons déjà des approches prometteuses pour traiter les pertes de chaleur restantes de juste sous 20 %, par exemple en optimisant le flux de liquide de refroidissement. Nous sommes maintenant à l'étape de l'assemblage des rotors et pourrons bientôt faire fonctionner le moteur sur le banc d'essai de l'Institut de génie électrique et le valider en fonctionnement réel », résume Maertens.

Cet article est publié grâce au partenariat média entre CompositesWorld et Springer lightweight.design magazine. Pour plus d'informations sur Springer et lightweight.design, rendez-vous sur https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380