革新的な繊維強化熱硬化性樹脂ハウジングがEVモーターの発熱を低減

電気自動車の軽量化には、モーターの軽量化も含まれます。その一つの方法が、繊維強化ポリマー材料でモーターを構築することです。Fraunhofer化学技術研究所ICTの研究者たちは、Karlsruhe工科大学KITと共同で、ポリマーをモーターハウジング材料として使用可能にする新しい冷却コンセプトを開発しています。この新冷却コンセプトの利点は軽量化だけでなく、従来比で出力密度と効率を大幅に向上させることです。

電気駆動系の二大構成要素は電気モーターとバッテリーです。電気モーターを環境配慮型モビリティに使用する上で特に重要な3課題は、高出力密度、電気自動車にぴったり収まるコンパクトな構成、高効率です。DEmiLプロジェクト（直接冷却式電気モーターと統合軽量ハウジングのドイツ語略称）の一環として、Fraunhofer ICT（ピンツタール）の研究者たちは、Karlsruhe工科大学KITの車両システム技術研究所（FAST）と電気工学研究所（ETI）と共同で、ステーターとロータの直接冷却を組み込んだ新規アプローチを開発しています。「電気モーターは回転するロータと静止するステーターで構成されます。ステーターには電流が流れる銅巻線が含まれ、ここに電気損失の大部分が発生します。我々の新コンセプトの新規性はステーターにあります」と、Fraunhofer ICT研究者のRobert Maertens氏は説明します。

角形平角線が丸線に代わる

電気モーターの効率は90%以上で、電気エネルギーの大部分が機械エネルギーに変換されます。残り10%程度が熱として損失されます。現在、ステーターの熱は金属ハウジングを通じて冷水で満たされた冷却スリーブに伝導されています。このプロジェクトでは、研究チームが丸線を角形平角線に置き換え、ステーターにより密に巻線できるようにしました。これにより、平角線巻線相の隣に冷却チャネルのためのスペースが生まれます。「この最適化設計では、熱損失をステーター内部の冷却チャネルで直接放熱できるため、金属ハウジングを通じて外部冷却スリーブに熱を輸送する必要がありません。実際、このコンセプトでは冷却スリーブ自体が不要になります。熱慣性の低減やモーターの連続出力向上など、他のメリットもあります」とMaertens氏は新システムの利点を説明します。さらに、新設計にはロータ冷却ソリューションも組み込まれ、ロータの熱損失もモーター内部で直接放熱可能です。

熱を発生源に近い場所で放熱することで、プロジェクトパートナーはモーターとハウジングの全体をポリマー材料で構築可能にし、さらなる利点を得ました。「ポリマーハウジングは軽量で、アルミニウムハウジングより製造が容易です。後処理なしで複雑な形状に対応できるため、全体重量とコストで大幅な削減が可能です」とMaertens氏。現在熱伝導体として必要とされる金属を、金属に比べて熱伝導率の低いポリマー材料で置き換えることができます。

プロジェクトパートナーは、プロジェクトパートナーの住友ベークライト（SBHPP）製の繊維強化熱硬化性プラスチックを採用しました。これらは高耐熱性と攻撃的な冷却材への高耐性を備えています。熱可塑性樹脂とは異なり、熱硬化性樹脂は化学物質と接触しても膨潤しません。

大量生産に適した製造プロセス

ポリマーハウジングは、フェノール樹脂成形材料Vyncolit X7700を用いた自動射出成形プロセスで製造されます。試作段階でのサイクルタイムは現在4分です。ステーター自体は、熱伝導性エポキシ樹脂成形材料（Sumikon EME-A730E）でトランスファーモールディングによりオーバーモールディングされます。研究チームは、電気モーターを大量生産可能な設計と製造プロセスを選択しました。

チームはすでにステーター組立を完了し、冷却コンセプトを実験的に検証しました。「シミュレーションに基づき、実運転で銅巻線に発生する熱量を電流で導入しました。その結果、期待される熱損失の80%以上をすでに放熱できることが確認されました。残り20%未満の熱損失への対策として、冷却材流れの最適化など有望なアプローチがいくつかあります。現在はロータ組立段階にあり、まもなく電気工学研究所の試験台でモーターを実運転し、実運転での検証が可能になります」とMaertens氏はプロジェクトの現状をまとめます。

この記事はCompositesWorldとSpringer軽量設計誌のメディアパートナーシップによるものです。Springerおよび軽量設計誌については、https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380 をご覧ください。