Sähköautojen sähkömoottorien jäähdytys
Sähköauton ajomoottori voi olla erittäin hyötysuhteinen ja tuottaa silti suurella teholla useita kilowatteja lämpöä. Jäähdytys ratkaisee, kuinka kauan voimansiirtoyksikkö pystyy ylläpitämään vääntömomenttia ja tehoa ylittämättä käämitysten, magneettien, roottorin, laakereiden, voiteluaineen, invertterin tai tiivisteiden rajoja.
Mistä lämpö syntyy
Staattorikäämitysten läpi kulkeva virta aiheuttaa kuparihäviöitä, jotka ovat verrannollisia virran neliöön ja käämityksen resistanssiin. Sähköteräksessä syntyy hystereesi- ja pyörrevirtahäviöitä magneettikentän muuttuessa. Pyörrevirtoja voi muodostua kestomagneetteihin ja muihin sähköä johtaviin roottorin osiin, kun taas oikosulkuroottorilla tai sähköisesti magnetoidulla roottorilla on omat resistiiviset häviönsä.
Laakerit, tiivisteet, hammaspyörät, öljypumput, öljyn sekoittuminen ja ilmanvastus lisäävät mekaanisia häviöitä. Invertteri tuottaa erikseen lämpöä puolijohteissa ja passiivikomponenteissa, usein moottorin vieressä integroidussa voimansiirtoyksikössä.
Häviöiden jakautuminen muuttuu pyörimisnopeus-vääntömomenttikartan eri alueilla. Suuri virta tekee käämitysten lämmöstä hallitsevaa monissa pienen pyörimisnopeuden ja suuren vääntömomentin toimintapisteissä. Rauta-, magneetti-, ilmanvastus-, kytkentä- ja mekaaniset häviöt kasvattavat merkitystään sähköisen taajuuden ja pyörimisnopeuden noustessa.
Huipputeho ei ole jatkuvaa tehoa
Moottorin lämpömassa voi vastaanottaa lyhyen lämpöpulssin ja mahdollistaa näin huipputehon kiihdytyksessä. Jatkuva teho edellyttää, että jäähdytysjärjestelmä poistaa lämpöä yhtä nopeasti kuin voimansiirtoyksikkö tuottaa sitä määritellyissä jäähdytysnesteen, ilman lämpötilan ja nopeuden olosuhteissa.
Kun arvioidut lämpötilat lähestyvät rajaa, ohjausohjelmisto pienentää virtaa tai tehoa. Tämä lämpötilasta johtuva tehonrajoitus suojaa käämityseristystä, magneettien koersitiivisuutta, roottorin rakenteita, tehoelektroniikkaa, voiteluainetta ja laakereita. Kaksi samalla kilowatteina ilmoitetulla huipputeholla varustettua sähköautoa voi siksi toimia eri tavoin toistuvissa kiihdytyksissä, pitkään jatkuvassa suuressa nopeudessa, ylämäessä, hinattaessa, ratakäytössä tai kuumalla säällä.
Lämpötila-anturit eivät voi kattaa kaikkia kuumia kohtia. Ohjaimet yhdistävät mittaukset lämpömalleihin, jotka arvioivat käämitysten, roottorin, magneettien ja puolijohdeliitosten lämpötiloja. Varovainen malli jättää suorituskykyä käyttämättä, kun taas optimistinen malli vaarantaa käyttöiän tai voi johtaa vikaan.
Ilma- ja vaippajäähdytys
Ilmajäähdytys poistaa lämpöä moottorikotelosta luonnollisen tai puhaltimen tuottaman ilmavirran avulla. Ratkaisu on yksinkertainen eikä tarvitse nesteputkistoa, mutta ilman lämmönsiirtokyky on rajallinen. Se soveltuu paremmin pienempitehoisiin koneisiin, apumoottoreihin tai käyttöjaksoihin, joissa jatkuva kuormitus on maltillinen, kuin kompaktiin ja suuritehoiseen vetolaitteeseen.
Tavallinen seuraava ratkaisu on staattorikotelon ympärillä oleva vesi-glykolivaippa. Jäähdytysneste virtaa valettujen tai koneistettujen kanavien läpi ja siirtää lämmön jäähdyttimeen tai ajoneuvon toiseen lämpöpiiriin. Tämä vakiintunut järjestely pitää sähköä johtavan nesteen sähköisen tilan ulkopuolella.
Sen heikkous on lämmön kulkureitti. Kuparin lämmön on kuljettava eristyksen, kyllästysmateriaalin, staattorin levypaketin, kotelon rajapintojen ja vaipan seinämän läpi. Kosketuksen ja materiaalien lämmönjohtavuuden parantaminen voi auttaa, mutta ulompi vaippa pysyy fyysisesti erillään käämitysten kuumista kohdista.
Öljyjäähdytys lähellä lämmönlähdettä
Sähköisesti yhteensopivaa öljyä voidaan suihkuttaa käämien päihin, johtaa staattorikanavien läpi, kierrättää onton akselin kautta tai käyttää roottorin ja laakereiden jäähdyttämiseen. Voimansiirtoyksikkö voi käyttää samaa perusnestettä hammaspyörien voiteluun ja moottorin jäähdytykseen, jolloin pumput, suuttimet, paluukierto, suodatus ja jäähdytysnesteen ja öljyn välinen lämmönvaihdin hallitsevat piiriä.
Kuparin lähellä oleva öljy lyhentää lämmön kulkureittiä ja voi kasvattaa sallittua jatkuvaa virrantiheyttä. Roottorin öljyjäähdytys on erityisen hyödyllinen, kun roottori tuottaa paljon lämpöä tai magneettien lämpötila on kriittinen.
Suora öljyjäähdytys tuo mukanaan myös viskoosista vastusta, pumppujen energiankulutusta sekä ilmanpoistoon, suodatukseen, tiivistyksiin ja materiaalien yhteensopivuuteen liittyviä vaatimuksia. Virtauksen on saavutettava kaikki kuumat alueet tulvimatta osiin, joissa syntyisi liiallisia sekoitushäviöitä. Öljyn sähköisten ominaisuuksien ja vanhenemisen on pysyttävä hyväksyttävinä koko käyttöiän ajan.
Käämitysten ja urien suora jäähdytys
Käämitysten suorassa jäähdytyksessä lämmönvaihdin tai jäähdytysnestekanava asetetaan välittömään kosketukseen johtimen kanssa tai hyvin lähelle sitä. Ratkaisuja ovat urissa olevat lämmönvaihtimet, öljyn johtaminen tiivistettyjen urakanavien läpi, käämityksen vieressä olevat lämpöä johtavat jäähdytyselementit sekä ontot johtimet, joiden sisällä jäähdytysneste virtaa.
Näillä menetelmillä ohitetaan osa eristyksen ja staattorisydämen lämpövastuksesta. Tutkimukset ja prototyypit osoittavat merkittävää potentiaalia suurempaan virrantiheyteen ja moottorin tehotiheyteen, mutta suunnittelun vaatimukset laajenevat: sähköeristys, painehäviö, tasapainoinen virtaus, korroosio, vuotojen tunnistus, liitokset, valmistustoleranssit ja korjattavuus tulevat kaikki osaksi käämityksen suunnittelua.
Ontot johtimet tarjoavat lyhimmän reitin kuparin lämmöstä jäähdytysnesteeseen, mutta pienentävät johtavaa poikkipinta-alaa ja edellyttävät luotettavia nesteliitoksia jokaiseen rinnakkaiseen virtausreittiin. Niitä on pidettävä kehittyneenä arkkitehtuurina, ei nykyisten sähköisten henkilöautojen vakiovarusteena.
Roottorin ja akselin jäähdytys
Oikosulkuroottori tuottaa häviöitä häkissä, sähköisesti magnetoitu roottori kenttäkäämityksessä, ja kestomagneetit saattavat tarvita suojaa lämmöltä ja pyörrevirtahäviöiltä. Jäähdytys voi saavuttaa roottorin ilmaraossa olevan öljyn, sisäisten suuttimien, onton akselin tai akselin ja laakereiden kautta tapahtuvan lämmönjohtumisen avulla.
Jäähdytysnesteen johtaminen pyörivään kokonaisuuteen lisää keskipakoiseen virtaukseen, pyöriviin tiivisteisiin, tasapainotukseen, paineeseen ja väsymiskestävyyteen liittyviä vaatimuksia. Lämpöhyödyn on perusteltava nämä mekaaniset ja luotettavuuteen liittyvät kustannukset.
Voimansiirtoyksikön integroitu lämmönhallinta
Moottori, invertteri, vaihteisto ja tasauspyörästö toimivat parhaiten eri lämpötiloissa ja käyttävät eri nesteitä. Kompakti sähköakseli voi yhdistää staattorikotelon ja invertterin vesi-glykolipiirin hammaspyörien, laakereiden, roottorin ja käämitysten öljypiiriin. Lämmönvaihdin yhdistää piirit sekoittamatta nesteitä.
Integrointi lyhentää kaapeleita ja säästää tilaa, mutta kytkee myös lämmönlähteet toisiinsa. Kuuma öljy voi vaikuttaa hammaspyörien hyötysuhteeseen eri tavoin kuin moottorin käämityksiin, kun taas invertteri saattaa vaatia moottorikoteloa alhaisemman jäähdytysnesteen lämpötilan. Pumput, venttiilit, ohituskanavat ja ohjelmisto ohjaavat lämpöä lämmityksen, ajon, latauksen ja suuren kuormituksen tarpeiden mukaan.
Myös jäähdytysjärjestelmä kuluttaa energiaa. Pumppujen ja puhaltimien teho sekä öljyn vastus on otettava huomioon rakenteita vertailtaessa. Jatkuva enimmäisjäähdytys on harvoin tehokkain ratkaisu; säädettävän virtauksen pitäisi tarjota kulloisenkin käyttöjakson vaatima lämmönpoisto.
Luotettavuus ja huolto
Kehittynyt jäähdytys siirtää osan riskistä lämpötilasta putkistoon ja materiaaleihin. Suunnittelussa on huomioitava tiivisteiden käyttöikä, letkujen ja valukappaleiden huokoisuus, galvaaninen korroosio, jäähdytysnesteen sähkönjohtavuus, öljyn hapettuminen, suodattimien tukkeutuminen, epäpuhtaudet, pumppujen kuluminen, jäätymissuojaus, törmäysvauriot ja vuotojen tunnistus.
Suorasti jäähdytetty moottori voi tuottaa enemmän jatkuvaa tehoa pienemmällä määrällä aktiivista materiaalia, mutta huolto voi olla monimutkaisempaa, jos käämitys, roottori ja öljypiiri muodostavat yhden erottamattoman kokonaisuuden. Kestävyystestauksen on katettava paine- ja lämpötilasyklit, tärinä, ylinopeus, likaantuminen sekä nesteen, eristyksen, liimojen, magneettien ja tiivisteiden kemiallinen vuorovaikutus.
Mitä kuljettajat voivat päätellä
Useimmat sähköautojen tekniset tiedot eivät ilmoita jäähdytysnesteen virtausta, käämityksen lämpötilaa tai moottorin jatkuvaa tehoa. Toistettavat kiihdytystestit, toiminta pitkään jatkuvassa suuressa nopeudessa, vetomassarajat ja ratakäyttöohjeet voivat paljastaa osan lämpöstrategiasta, mutta niiden avulla ei voida erottaa moottorin jäähdytystä akun ja invertterin rajoituksista.
Merkityksellisimmät valmistajan tiedot ilmoittaisivat huipputehon keston, jatkuvan tehon määritellyissä jäähdytysnesteen ja ympäristön lämpötiloissa, moottorin enimmäispyörimisnopeuden, jäähdytysmenetelmän sekä sen, koskeeko arvo vain moottoria vai koko voimansiirtoyksikköä.
Palaa kohtaan Electric Motors and Drive Units.