Køling af elmotorer i elbiler
En trækmotor i en elbil kan være meget effektiv og stadig udvikle flere kilowatt varme ved høj ydelse. Kølingen afgør, hvor længe drivenheden kan opretholde moment og effekt uden at overskride grænserne for viklinger, magneter, rotor, lejer, smøremiddel, inverter eller tætninger.
Hvor varmen kommer fra
Strøm gennem statorviklingerne skaber kobbertab, som er proportionale med strømmen i anden og viklingsmodstanden. Elektropladen bidrager med hysterese- og hvirvelstrømstab, når dens magnetfelt ændres. Der kan opstå hvirvelstrømme i permanente magneter og andre ledende rotordele, mens et induktionsbur eller en elektrisk magnetiseret rotor har sine egne ohmske tab.
Lejer, tætninger, tandhjul, oliepumper, olieomrøring og luftmodstand giver yderligere mekaniske tab. Inverteren udvikler særskilt varme i halvledere og passive komponenter og er ofte placeret ved siden af motoren i en integreret drivenhed.
Tabsfordelingen ændrer sig over omdrejnings- og momentkortet. Høj strøm gør viklingsvarmen dominerende ved mange driftspunkter med lavt omdrejningstal og højt moment. Jern-, magnet-, luftmodstands-, koblings- og mekaniske tab får større betydning, efterhånden som den elektriske frekvens og omdrejningshastigheden stiger.
Spidseffekt er ikke kontinuerlig effekt
Motorens termiske masse kan optage en kortvarig varmetilførsel og dermed muliggøre spidseffekt under acceleration. Kontinuerlig effekt kræver, at kølesystemet bortleder varmen lige så hurtigt, som drivenheden producerer den under definerede forhold for kølemiddel, lufttemperatur og hastighed.
Når de beregnede temperaturer nærmer sig en grænse, reducerer styresoftwaren strømmen eller effekten. Denne termiske effektreduktion beskytter viklingsisolering, magneternes koercivitet, rotorstrukturer, effektelektronik, smøremiddel og lejer. To elbiler med samme spidseffekt i kilowatt kan derfor opføre sig forskelligt ved gentagne accelerationer, vedvarende høj fart, stigninger, anhængerkørsel, banekørsel eller kørsel i varmt vejr.
Temperaturfølere kan ikke dække alle varme punkter. Styreenhederne kombinerer målinger med termiske modeller, der beregner temperaturerne i viklinger, rotor, magneter og halvledernes overgange. En konservativ model efterlader uudnyttet ydelse; en optimistisk model medfører risiko for fremskyndet ældning eller svigt.
Luft- og kappekøling
Luftkøling fjerner varme fra motorhuset ved hjælp af naturlig eller ventilatordrevet luftstrøm. Løsningen er enkel og kræver ingen væskerør, men luftens evne til at overføre varme er begrænset. Den egner sig bedre til maskiner med lavere effekt, hjælpemotorer eller driftsmønstre med beskeden kontinuerlig belastning end til en kompakt trækenhed med høj ydelse.
Det almindelige næste trin er en vand-glykol-kappe omkring statorhuset. Kølemidlet strømmer gennem støbte eller bearbejdede kanaler og overfører varmen til en køler eller et andet termisk kredsløb i bilen. Denne veletablerede løsning holder den elektrisk ledende væske uden for det elektriske hulrum.
Svagheden er varmevejen. Varmen fra kobberet skal passere gennem isolering, imprægneringsmateriale, statorlamineringer, grænseflader i huset og kappens væg. Bedre kontakt og højere varmeledningsevne i materialerne kan hjælpe, men den ydre kappe er stadig fysisk adskilt fra viklingernes varme punkter.
Oliekøling tæt på varmekilden
Elektrisk kompatibel olie kan sprøjtes på viklingsenderne, ledes gennem statorkanaler, cirkuleres gennem en hul aksel eller bruges til at køle rotor og lejer. En drivenhed kan anvende den samme basisvæske til smøring af tandhjul og køling af motoren, mens pumper, dyser, returløb, filtrering og en kølemiddel-til-olie-varmeveksler styrer kredsløbet.
Olie tæt på kobberet forkorter varmevejen og kan øge den tilladte kontinuerlige strømtæthed. Oliekøling af rotoren er især nyttig, hvor rotoren udvikler betydelig varme, eller magneternes temperatur er kritisk.
Direkte oliekøling medfører også viskøs modstand, pumpeforbrug og krav til beluftning, filtrering, tætninger og materialekompatibilitet. Strømningen skal nå alle varme områder uden at oversvømme dele, der skaber for store omrøringstab. Oliens elektriske egenskaber og ældning skal forblive acceptable gennem hele levetiden.
Direkte viklings- og notkøling
Direkte viklingskøling placerer en varmeveksler eller kølemiddelkanal i umiddelbar kontakt med eller meget tæt på lederen. Koncepterne omfatter varmevekslere i noterne, olie gennem forseglede notkanaler, varmeledende køleelementer ved siden af viklingen og hule ledere med indvendig gennemstrømning af kølemiddel.
Disse metoder omgår en del af den termiske modstand i isoleringen og statorkernen. Forskning og prototyper viser et stort potentiale for højere strømtæthed og effekttæthed i motoren, men de tekniske udfordringer bliver flere: Elektrisk isolering, trykfald, afbalanceret strømning, korrosion, lækageregistrering, sammenføjning, produktionstolerancer og reparation bliver alle en del af viklingsdesignet.
Hule ledere giver den korteste vej fra kobbervarmen til kølemidlet, men de reducerer en del af det ledende tværsnit og kræver pålidelige væsketilslutninger til hver parallel strømvej. De bør betragtes som en avanceret arkitektur og ikke som standardudstyr i nutidens elektriske personbiler.
Rotor- og akselkøling
En induktionsrotor udvikler tab i buret, en elektrisk magnetiseret rotor udvikler tab i feltviklingen, og permanente magneter kan have brug for beskyttelse mod varme og hvirvelstrømstab. Kølingen kan nå rotoren via olie i luftgabet, indvendige dyser, en hul aksel eller varmeledning gennem akslen og lejerne.
Når kølemiddel føres ind i en roterende enhed, opstår der yderligere krav til centrifugal strømning, roterende tætninger, afbalancering, tryk og udmattelse. Den termiske fordel skal kunne retfærdiggøre disse mekaniske omkostninger og pålidelighedsomkostninger.
Integreret termisk styring af drivenheden
Motor, inverter, gearkasse og differentiale fungerer bedst ved forskellige temperaturer og benytter forskellige væsker. En kompakt e-aksel kan kombinere et vand-glykol-kredsløb til statorhus og inverter med et oliekredsløb til tandhjul, lejer, rotor og viklinger. En varmeveksler forbinder kredsløbene uden at blande væskerne.
Integrationen forkorter kablerne og sparer plads, men den kobler også varmekilderne sammen. Varm olie kan påvirke tandhjulenes virkningsgrad anderledes end motorviklingerne, mens en inverter kan kræve en lavere kølemiddeltemperatur end motorhuset. Pumper, ventiler, omløb og software leder varmen i overensstemmelse med behovet under opvarmning, kørsel, opladning og høj belastning.
Selve kølesystemet bruger energi. Pumpeeffekt, ventilatoreffekt og oliemodstand skal medregnes ved sammenligning af konstruktioner. Maksimal køling hele tiden er sjældent den mest effektive løsning; variabel gennemstrømning bør levere den varmeafledning, som det aktuelle driftsmønster kræver.
Pålidelighed og service
Avanceret køling flytter en del af risikoen fra temperatur til rørføring og materialer. Ingeniørerne skal tage højde for tætningernes levetid, porøsitet i slanger og støbte dele, galvanisk korrosion, kølemidlets ledningsevne, olieoxidation, tilstoppede filtre, urenheder, pumpeslid, frostsikring, kollisionsskader og lækageregistrering.
En direkte kølet motor kan levere mere kontinuerlig effekt med mindre aktivt materiale, men servicearbejdet kan blive mere komplekst, hvis viklingen, rotoren og oliekredsløbet udgør én uadskillelig enhed. Holdbarhedsprøvningen skal omfatte tryk- og temperaturcyklusser, vibrationer, overhastighed, forurening og den kemiske vekselvirkning mellem væske, isolering, klæbemidler, magneter og tætninger.
Hvad føreren kan udlede
De fleste specifikationer for elbiler oplyser ikke kølemiddelgennemstrømning, viklingstemperatur eller en kontinuerlig motoreffekt. Gentagelige accelerationstest, adfærd ved vedvarende høj fart, grænser for anhængervægt og vejledning om banekørsel kan afsløre en del af den termiske strategi, men de kan ikke adskille motorkølingen fra batteriets og inverterens grænser.
De mest værdifulde producentdata ville angive spidseffektens varighed, kontinuerlig effekt ved definerede kølemiddel- og omgivelsestemperaturer, motorens maksimale omdrejningstal, kølemetoden, og om angivelsen gælder motoren alene eller hele drivenheden.
Gå tilbage til Electric Motors and Drive Units.