Raffreddamento dei motori elettrici nei veicoli elettrici
Un motore di trazione di un veicolo elettrico può essere altamente efficiente e generare comunque diversi kilowatt di calore quando eroga una potenza elevata. Il raffreddamento determina per quanto tempo l’unità di propulsione può mantenere coppia e potenza senza superare i limiti di avvolgimenti, magneti, rotore, cuscinetti, lubrificante, inverter o guarnizioni.
Da dove proviene il calore
La corrente che attraversa gli avvolgimenti dello statore produce perdite nel rame proporzionali al quadrato della corrente e alla resistenza degli avvolgimenti. L’acciaio elettrico aggiunge perdite per isteresi e correnti parassite al variare del suo campo magnetico. Nei magneti permanenti e in altre parti conduttive del rotore possono svilupparsi correnti parassite, mentre una gabbia a induzione o un rotore a eccitazione elettrica presenta perdite resistive proprie.
Cuscinetti, guarnizioni, ingranaggi, pompe dell’olio, sbattimento dell’olio e resistenza aerodinamica aggiungono perdite meccaniche. L’inverter genera separatamente calore nei semiconduttori e nei componenti passivi, spesso accanto al motore in un’unità di propulsione integrata.
La distribuzione delle perdite cambia lungo la mappa velocità-coppia. Una corrente elevata fa sì che il calore degli avvolgimenti prevalga in molti punti a bassa velocità e coppia elevata. Le perdite nel ferro e nei magneti, quelle aerodinamiche, di commutazione e meccaniche diventano più importanti all’aumentare della frequenza elettrica e della velocità di rotazione.
La potenza di picco non è potenza continua
La massa termica del motore può assorbire una breve quantità di calore, consentendo di erogare la potenza di picco durante l’accelerazione. Per erogare potenza continua, il sistema di raffreddamento deve smaltire il calore con la stessa rapidità con cui l’unità di propulsione lo produce in condizioni definite di liquido refrigerante, temperatura dell’aria e velocità.
Quando le temperature stimate si avvicinano a un limite, il software di controllo riduce la corrente o la potenza. Questa riduzione termica protegge l’isolamento degli avvolgimenti, la coercitività dei magneti, le strutture del rotore, l’elettronica di potenza, il lubrificante e i cuscinetti. Due veicoli elettrici con la stessa potenza di picco in kilowatt possono quindi comportarsi diversamente durante accelerazioni ripetute, a velocità elevata e costante, in salita, nel traino, in pista o con temperature esterne elevate.
I sensori di temperatura non possono coprire ogni punto caldo. Le centraline combinano le misurazioni con modelli termici che stimano le temperature di avvolgimenti, rotore, magneti e giunzioni dei semiconduttori. Un modello prudente lascia inutilizzate parte delle prestazioni; un modello ottimistico rischia di accelerare l’invecchiamento o causare un guasto.
Raffreddamento ad aria e della carcassa
Il raffreddamento ad aria rimuove calore dalla carcassa del motore mediante un flusso d’aria naturale o azionato da una ventola. È semplice e non richiede tubazioni per liquidi, ma la capacità dell’aria di trasferire calore è limitata. È più adatto a macchine di potenza inferiore, motori ausiliari o cicli di utilizzo con un carico continuo moderato che a un’unità di trazione compatta e ad alte prestazioni.
Il passo successivo più comune è una camicia ad acqua e glicole intorno alla carcassa dello statore. Il liquido refrigerante scorre attraverso canali ricavati per fusione o lavorazione e trasferisce il calore a un radiatore o a un altro circuito termico del veicolo. Questa soluzione collaudata mantiene il fluido conduttivo fuori dalla cavità elettrica.
Il suo punto debole è il percorso termico. Il calore del rame deve attraversare isolamento, materiale d’impregnazione, lamierini dello statore, interfacce della carcassa e parete della camicia. Migliorare il contatto e la conduttività dei materiali può essere utile, ma la camicia esterna rimane fisicamente separata dai punti caldi degli avvolgimenti.
Raffreddamento a olio vicino alla fonte di calore
Un olio elettricamente compatibile può essere spruzzato sulle testate degli avvolgimenti, diretto attraverso canali dello statore, fatto circolare in un albero cavo oppure impiegato per raffreddare rotore e cuscinetti. Un’unità di propulsione può utilizzare lo stesso fluido di base per lubrificare gli ingranaggi e raffreddare il motore, con pompe, getti, recupero, filtrazione e uno scambiatore di calore tra liquido refrigerante e olio che controllano il circuito.
L’olio vicino al rame accorcia il percorso termico e può aumentare la densità di corrente continua consentita. Il raffreddamento a olio del rotore è particolarmente utile quando il rotore produce molto calore o quando la temperatura dei magneti è critica.
Il raffreddamento diretto a olio introduce anche resistenza viscosa, assorbimento delle pompe e requisiti relativi ad aerazione, filtrazione, tenuta e compatibilità dei materiali. Il flusso deve raggiungere tutte le zone calde senza allagare parti che provocherebbero perdite eccessive per sbattimento. Le proprietà elettriche dell’olio e il suo invecchiamento devono restare accettabili per tutta la vita utile.
Raffreddamento diretto degli avvolgimenti e delle cave
Il raffreddamento diretto degli avvolgimenti colloca uno scambiatore di calore o un condotto del refrigerante a contatto immediato con il conduttore, o molto vicino a esso. Le soluzioni comprendono scambiatori di calore nelle cave, olio in canali di cava sigillati, elementi di raffreddamento conduttivi accanto all’avvolgimento e conduttori cavi attraversati internamente dal refrigerante.
Questi approcci aggirano parte della resistenza termica dell’isolamento e del nucleo dello statore. Ricerche e prototipi mostrano un notevole potenziale per aumentare la densità di corrente e la densità di potenza del motore, ma ampliano l’ambito della progettazione: isolamento elettrico, perdita di pressione, bilanciamento del flusso, corrosione, rilevamento delle perdite, giunzioni, tolleranze di produzione e riparazione entrano tutti a far parte del progetto dell’avvolgimento.
I conduttori cavi offrono il percorso più breve dal calore del rame al refrigerante, ma sacrificano parte della sezione conduttiva e richiedono collegamenti del fluido affidabili per ogni percorso parallelo. Devono essere considerati un’architettura avanzata, non una caratteristica comune delle attuali autovetture elettriche.
Raffreddamento del rotore e dell’albero
Un rotore a induzione genera perdite nella gabbia, un rotore a eccitazione elettrica genera perdite nell’avvolgimento di campo e i magneti permanenti possono richiedere protezione dal calore e dalle perdite per correnti parassite. Il raffreddamento può raggiungere il rotore tramite olio nel traferro, getti interni, un albero cavo o per conduzione attraverso l’albero e i cuscinetti.
Portare il refrigerante in un gruppo rotante aggiunge requisiti relativi al comportamento centrifugo del flusso, alle tenute rotanti, all’equilibratura, alla pressione e alla fatica. Il vantaggio termico deve giustificare questi costi meccanici e di affidabilità.
Gestione termica integrata dell’unità di propulsione
Motore, inverter, riduttore e differenziale funzionano al meglio a temperature diverse e utilizzano fluidi differenti. Un assale elettrico compatto può combinare un circuito ad acqua e glicole per la carcassa dello statore e l’inverter con un circuito a olio per ingranaggi, cuscinetti, rotore e avvolgimenti. Uno scambiatore di calore collega i circuiti senza miscelare i fluidi.
L’integrazione accorcia i cavi e riduce gli ingombri, ma collega anche le fonti di calore. L’olio caldo può influire sull’efficienza degli ingranaggi in modo diverso rispetto agli avvolgimenti del motore, mentre l’inverter può richiedere una temperatura del liquido refrigerante inferiore a quella della carcassa del motore. Pompe, valvole, bypass e software instradano il calore in base alle esigenze di riscaldamento, marcia, ricarica e carico elevato.
Il sistema di raffreddamento stesso consuma energia. Nel confronto tra progetti occorre includere l’assorbimento di pompe e ventole, oltre alla resistenza dell’olio. Il massimo raffreddamento in ogni momento raramente è la soluzione più efficiente; una portata variabile dovrebbe fornire lo smaltimento termico richiesto dal ciclo di utilizzo corrente.
Affidabilità e manutenzione
Il raffreddamento avanzato sposta parte del rischio dalla temperatura alle tubazioni e ai materiali. I progettisti devono considerare la durata delle guarnizioni, la porosità di tubi flessibili e fusioni, la corrosione galvanica, la conducibilità del liquido refrigerante, l’ossidazione dell’olio, l’intasamento dei filtri, i detriti, l’usura delle pompe, la protezione dal gelo, i danni da collisione e il rilevamento delle perdite.
Un motore a raffreddamento diretto può produrre più potenza continua con meno materiale attivo, ma la manutenzione può essere più complessa se avvolgimento, rotore e circuito dell’olio formano un unico insieme inseparabile. Le prove di durata devono comprendere cicli di pressione e temperatura, vibrazioni, sovravelocità, contaminazione e l’interazione chimica tra fluido, isolamento, adesivi, magneti e guarnizioni.
Che cosa possono dedurre i conducenti
La maggior parte delle specifiche dei veicoli elettrici non indica la portata del liquido refrigerante, la temperatura degli avvolgimenti o la potenza continua del motore. Prove di accelerazione ripetibili, comportamento a velocità elevata e costante, limiti di traino e indicazioni per l’uso in pista possono rivelare parte della strategia termica, ma non consentono di separare il raffreddamento del motore dai limiti della batteria e dell’inverter.
I dati più significativi del costruttore indicherebbero la durata della potenza di picco, la potenza continua a temperature definite del liquido refrigerante e dell’ambiente, il regime massimo del motore, il metodo di raffreddamento e se il valore nominale si riferisce al solo motore o all’intera unità di propulsione.
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