Kühlung von Elektromotoren in Elektrofahrzeugen
Ein Traktionsmotor in einem Elektrofahrzeug kann einen sehr hohen Wirkungsgrad erreichen und bei hoher Leistung dennoch mehrere Kilowatt Wärme erzeugen. Die Kühlung entscheidet darüber, wie lange die Antriebseinheit Drehmoment und Leistung aufrechterhalten kann, ohne die Grenzwerte ihrer Wicklungen, Magnete, des Rotors, der Lager, des Schmierstoffs, des Wechselrichters oder der Dichtungen zu überschreiten.
Wo die Wärme entsteht
Der Strom durch die Statorwicklungen verursacht Kupferverluste, die proportional zum Quadrat des Stroms und zum Wicklungswiderstand sind. Im Elektroblech entstehen Hysterese- und Wirbelstromverluste, wenn sich sein Magnetfeld ändert. In Permanentmagneten und anderen leitfähigen Rotorteilen können sich Wirbelströme bilden, während ein Induktionskäfig oder ein elektrisch erregter Rotor eigene ohmsche Verluste aufweist.
Lager, Dichtungen, Zahnräder, Ölpumpen, Ölverwirbelung und Luftwiderstand verursachen zusätzliche mechanische Verluste. Der Wechselrichter erzeugt eigene Wärme in Halbleitern und passiven Bauteilen und befindet sich in einer integrierten Antriebseinheit häufig direkt neben dem Motor.
Die Verteilung der Verluste ändert sich über das Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld. Ein hoher Strom führt an vielen Betriebspunkten mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment dazu, dass die Wicklungswärme dominiert. Mit zunehmender elektrischer und mechanischer Drehzahl gewinnen Eisen-, Magnet-, Luftwiderstands-, Schalt- und mechanische Verluste an Bedeutung.
Spitzenleistung ist keine Dauerleistung
Die thermische Masse des Motors kann einen kurzen Wärmestoß aufnehmen und so Spitzenleistung zum Beschleunigen ermöglichen. Für Dauerleistung muss das Kühlsystem die Wärme unter festgelegten Bedingungen für Kühlmittel, Lufttemperatur und Drehzahl ebenso schnell abführen, wie die Antriebseinheit sie erzeugt.
Wenn sich die geschätzten Temperaturen einem Grenzwert nähern, reduziert die Steuerungssoftware Strom oder Leistung. Dieses thermische Derating schützt Wicklungsisolierung, Koerzitivfeldstärke der Magnete, Rotorstrukturen, Leistungselektronik, Schmierstoff und Lager. Zwei Elektrofahrzeuge mit derselben Spitzenleistung in Kilowatt können sich daher bei wiederholtem Beschleunigen, dauerhaft hoher Geschwindigkeit, Bergauffahrt, Anhängerbetrieb, Rennstreckeneinsatz oder heißem Wetter unterschiedlich verhalten.
Temperatursensoren können nicht jede heiße Stelle erfassen. Die Steuergeräte kombinieren Messwerte mit thermischen Modellen, die die Temperaturen von Wicklung, Rotor, Magneten und Halbleiterübergängen abschätzen. Ein konservatives Modell lässt Leistung ungenutzt; ein optimistisches Modell birgt die Gefahr beschleunigter Alterung oder eines Ausfalls.
Luft- und Gehäusekühlung
Bei der Luftkühlung wird Wärme durch natürliche oder von einem Lüfter erzeugte Luftströmung vom Motorgehäuse abgeführt. Sie ist einfach und kommt ohne Flüssigkeitsleitungen aus, doch die Wärmeübertragungsfähigkeit von Luft ist begrenzt. Sie eignet sich eher für Maschinen mit geringerer Leistung, Hilfsmotoren oder Lastprofile mit mäßiger Dauerlast als für eine kompakte, leistungsstarke Traktionsmaschine.
Der übliche nächste Schritt ist ein Wasser-Glykol-Kühlmantel um das Statorgehäuse. Kühlmittel strömt durch gegossene oder bearbeitete Kanäle und überträgt die Wärme an einen Kühler oder einen anderen thermischen Kreislauf des Fahrzeugs. Bei dieser bewährten Anordnung bleibt die leitfähige Flüssigkeit außerhalb des elektrischen Hohlraums.
Ihre Schwäche ist der Wärmeleitweg. Die Wärme des Kupfers muss Isolierung, Imprägniermaterial, Statorblechpaket, Gehäuseschnittstellen und die Wand des Kühlmantels durchqueren. Besserer Kontakt und höhere Wärmeleitfähigkeit der Materialien können helfen, doch der äußere Kühlmantel bleibt räumlich von den heißen Stellen der Wicklung getrennt.
Ölkühlung nahe an der Wärmequelle
Elektrisch verträgliches Öl kann auf die Wickelköpfe gesprüht, durch Statorkanäle geführt, durch eine Hohlwelle umgewälzt oder zur Kühlung von Rotor und Lagern eingesetzt werden. Eine Antriebseinheit kann dasselbe Grundfluid für die Getriebeschmierung und die Motorkühlung nutzen, wobei Pumpen, Düsen, Rückförderung, Filterung und ein Kühlmittel-Öl-Wärmetauscher den Kreislauf regeln.
Öl in der Nähe des Kupfers verkürzt den Wärmeleitweg und kann eine höhere zulässige Dauerstromdichte ermöglichen. Eine Ölkühlung des Rotors ist besonders nützlich, wenn der Rotor erhebliche Wärme erzeugt oder die Magnettemperatur kritisch ist.
Die direkte Ölkühlung bringt außerdem viskosen Widerstand, Leistungsbedarf der Pumpen sowie Anforderungen an Belüftung, Filterung, Dichtungen und Materialverträglichkeit mit sich. Die Strömung muss jede heiße Zone erreichen, ohne Bereiche zu fluten, in denen übermäßige Ölverwirbelungsverluste entstehen. Die elektrischen Eigenschaften und das Alterungsverhalten des Öls müssen über die gesamte Lebensdauer akzeptabel bleiben.
Direkte Wicklungs- und Nutkühlung
Bei der direkten Wicklungskühlung befindet sich ein Wärmetauscher oder Kühlmittelkanal in unmittelbarem Kontakt mit dem Leiter oder sehr nahe daran. Zu den Konzepten gehören Wärmetauscher in den Nuten, Öl in abgedichteten Nutkanälen, leitfähige Kühlelemente neben der Wicklung und Hohlleiter, durch die das Kühlmittel im Inneren strömt.
Diese Ansätze umgehen einen Teil des Wärmewiderstands von Isolierung und Statorkern. Forschung und Prototypen zeigen großes Potenzial für eine höhere Stromdichte und Leistungsdichte des Motors, doch der technische Aufgabenbereich wird größer: Elektrische Isolierung, Druckverlust, gleichmäßige Strömungsverteilung, Korrosion, Leckerkennung, Fügetechnik, Fertigungstoleranzen und Reparatur werden sämtlich Teil der Wicklungskonstruktion.
Hohlleiter bieten den kürzesten Weg von der Kupferwärme zum Kühlmittel, verringern jedoch den leitfähigen Querschnitt und benötigen zuverlässige Fluidanschlüsse für jeden parallelen Strömungsweg. Sie sind als fortschrittliche Architektur zu betrachten, nicht als Standardmerkmal heutiger Elektro-Pkw.
Rotor- und Wellenkühlung
In einem Induktionsrotor entstehen Käfigverluste, in einem elektrisch erregten Rotor Verluste der Feldwicklung, und Permanentmagnete müssen möglicherweise vor Wärme und Wirbelstromverlusten geschützt werden. Die Kühlung kann den Rotor über Öl im Luftspalt, interne Düsen, eine Hohlwelle oder Wärmeleitung durch Welle und Lager erreichen.
Wird Kühlmittel in eine rotierende Baugruppe geführt, kommen Anforderungen an das zentrifugale Strömungsverhalten, rotierende Dichtungen, Auswuchtung, Druck und Ermüdungsfestigkeit hinzu. Der thermische Nutzen muss diese mechanischen Kosten und die Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit rechtfertigen.
Integriertes Thermomanagement der Antriebseinheit
Motor, Wechselrichter, Getriebe und Differenzial arbeiten bei unterschiedlichen Temperaturen am besten und verwenden unterschiedliche Fluide. Eine kompakte E-Achse kann einen Wasser-Glykol-Kreislauf für Statorgehäuse und Wechselrichter mit einem Ölkreislauf für Zahnräder, Lager, Rotor und Wicklungen kombinieren. Ein Wärmetauscher verbindet die Kreisläufe, ohne dass sich die Fluide vermischen.
Die Integration verkürzt Kabelwege und spart Bauraum, koppelt aber auch die Wärmequellen. Heißes Öl kann den Getriebewirkungsgrad auf andere Weise beeinflussen als die Motorwicklungen, während ein Wechselrichter möglicherweise eine niedrigere Kühlmitteltemperatur als das Motorgehäuse benötigt. Pumpen, Ventile, Bypässe und Software lenken die Wärme entsprechend den Anforderungen beim Aufwärmen, Fahren, Laden und unter hoher Last.
Das Kühlsystem verbraucht selbst Energie. Pumpen- und Lüfterleistung sowie Ölreibungsverluste müssen beim Vergleich von Konstruktionen berücksichtigt werden. Maximale Kühlung zu jeder Zeit ist nur selten die effizienteste Lösung; ein variabler Volumenstrom sollte genau die Wärmeabfuhr bereitstellen, die das aktuelle Lastprofil erfordert.
Zuverlässigkeit und Wartung
Fortschrittliche Kühlung verlagert einen Teil des Risikos von der Temperatur auf Leitungen und Materialien. Die Konstruktion muss die Lebensdauer von Dichtungen, die Porosität von Schläuchen und Gussteilen, galvanische Korrosion, Kühlmittelleitfähigkeit, Öloxidation, zugesetzte Filter, Fremdkörper, Pumpenverschleiß, Frostschutz, Unfallschäden und Leckerkennung berücksichtigen.
Ein direkt gekühlter Motor kann mit weniger aktivem Material mehr Dauerleistung erzeugen, doch die Wartung kann aufwendiger werden, wenn Wicklung, Rotor und Ölkreislauf eine untrennbare Einheit bilden. Dauerhaltbarkeitstests müssen Druck- und Temperaturwechsel, Vibrationen, Überdrehzahl, Verunreinigungen und die chemischen Wechselwirkungen zwischen Fluid, Isolierung, Klebstoffen, Magneten und Dichtungen abdecken.
Was Fahrer daraus ableiten können
In den meisten technischen Daten von Elektrofahrzeugen werden Kühlmitteldurchfluss, Wicklungstemperatur oder Motor-Dauerleistung nicht angegeben. Reproduzierbare Beschleunigungstests, das Verhalten bei dauerhaft hoher Geschwindigkeit, Anhängelastgrenzen und Hinweise zum Rennstreckeneinsatz können einen Teil der thermischen Strategie erkennen lassen, doch sie können die Motorkühlung nicht von den Grenzwerten von Batterie und Wechselrichter isolieren.
Die aussagekräftigsten Herstellerangaben würden die Dauer der Spitzenleistung, die Dauerleistung bei festgelegten Kühlmittel- und Umgebungstemperaturen, die maximale Motordrehzahl, die Kühlmethode und die Information nennen, ob sich die Einstufung nur auf den Motor oder auf die vollständige Antriebseinheit bezieht.
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