如何使用轻量化材料改良电动机？

据外媒报道，印度和波兰的一组研究人员探讨使用轻量化材料给电机带来的改进。其研究结果发表在《能源》（Energies）杂志上。

（图片来源：MDPI）

电机（Electric Motors）
在应对气候变化和实现全球净零排放目标方面，电机是一项关键技术。对于电动汽车的设计人员来说，在减轻车重的同时保持功率和效率，具有重要意义。为了实现快速脱碳，需要设计高效的、强大的和轻型设备。

在电动汽车中使用电机
近年来，电动汽车和混合动力汽车市场迅猛发展。在过去的一二十年里，特斯拉、保时捷和宝马等公司一直走在这一商业领域的创新前沿。作为这个行业的核心，电机设计仍存在一定的挑战。
目前，高性能电动汽车的电机普遍采用水冷系统，而不是笨重的传统风冷系统。这样可以在不牺牲车辆重量和性能的情况下，充分保持电机的冷却效果和效率。然而，水冷却系统存在一系列问题，使电机的优化设计受限。首先，这些系统（比如管道等）中可能发生泄漏，导致过热和水损坏的安全问题，从而降低电机的整体效率。因此，需要进行正确的设计和维护。
此外，随着这些系统对复杂机械的需求，如泵、管道和散热器，挑战也随之产生。这使其比传统的风冷系统更难维护。

在电机系统中应用轻质材料
为了解决重量问题，并保持电机的最佳效率，研究人员重点关注在水冷系统等部件中使用先进的轻量化材料。
近年来，研究人员探讨过很多材料，包括碳纤维和聚合物基复合材料。通过改进组件设计，评估可用于电机的先进材料，以解决当前技术存在的许多问题。

此项研究
在这项研究中，该团队探讨如何使用各种先进的轻量化材料来减轻电机的整体重量，同时不牺牲设备的整体功率效率和性能。具体来说，研究人员专注于液冷电动机。
在研究过程中，研究人员选择了一台0.5马力的电机。这是一种传统的风冷式感应电机，旨在演示如何通过水冷系统提高效率。以该电机为参考，通过CAD设计了一台风冷式电机。参考电机被拆开，以测量零部件的尺寸和重量。
热分析表明，与传统的全封闭风冷式电机相比，使用轴向外壳（axial housing water jacket）水套提供的冷却效率更高。
采用有限元分析的方法，评估温度范围和梯度差异。比起同等风冷式电机，水冷电机具有较低的温度范围。对玻璃纤维增强高分子复合材料PA6GF30进行了评估，发现这种材料降低系统最高温度的能力几乎可与铝相媲美。在这方面，铝是一种常规材料。

未来的研究
根据这项研究，在电机设计（特别是水冷系统）中，可以使用轻量化材料（特别是PA6GF30）来减轻重量，同时保持同等效率和性能。这表明了这一研究领域的前景。
研究人员表示，在改良电机的研究中，下一步是评估用于电机外壳的轻量化和低密度材料。选择与冷却系统兼容的适当材料，将是关键领域。尽管仍然存在挑战，但这项研究为这一材料科学和设计领域做出了重要贡献。