Kjøling av elmotorer i elbiler
En trekkmotor i en elbil kan være svært effektiv og likevel utvikle flere kilowatt varme ved høy ytelse. Kjølingen avgjør hvor lenge drivenheten kan opprettholde dreiemoment og effekt uten å overskride grensene for viklinger, magneter, rotor, lagre, smøremiddel, vekselretter eller tetninger.
Hvor varmen kommer fra
Strøm gjennom statorviklingene gir kobbertap som er proporsjonale med strømmen i andre og viklingsmotstanden. Elektroblikket bidrar med hysterese- og virvelstrømtap når magnetfeltet endres. Det kan oppstå virvelstrømmer i permanentmagneter og andre ledende rotordeler, mens et induksjonsbur eller en elektrisk magnetisert rotor har sine egne resistive tap.
Lagre, tetninger, tannhjul, oljepumper, oljeomrøring og luftmotstand gir ytterligere mekaniske tap. Vekselretteren utvikler separat varme i halvledere og passive komponenter og er ofte plassert ved siden av motoren i en integrert drivenhet.
Tapsfordelingen endrer seg over turtalls- og dreiemomentkartet. Høy strøm gjør viklingsvarmen dominerende ved mange driftspunkter med lavt turtall og høyt dreiemoment. Jern-, magnet-, luftmotstands-, koblings- og mekaniske tap blir viktigere etter hvert som den elektriske frekvensen og rotasjonshastigheten øker.
Toppeffekt er ikke kontinuerlig effekt
Motorens termiske masse kan ta opp en kort varmepuls og dermed muliggjøre toppeffekt under akselerasjon. Kontinuerlig effekt krever at kjølesystemet leder bort varmen like raskt som drivenheten produserer den under definerte forhold for kjølemiddel, lufttemperatur og hastighet.
Når de beregnede temperaturene nærmer seg en grense, reduserer styringsprogramvaren strømmen eller effekten. Denne termiske effektreduksjonen beskytter viklingsisolasjonen, magnetenes koersivitet, rotorstrukturer, kraftelektronikk, smøremiddel og lagre. To elbiler med samme toppeffekt i kilowatt kan derfor oppføre seg forskjellig ved gjentatte akselerasjoner, vedvarende høy hastighet, stigninger, tilhengerkjøring, banekjøring eller kjøring i varmt vær.
Temperaturfølere kan ikke dekke alle varme punkter. Styreenhetene kombinerer målinger med termiske modeller som anslår temperaturen i viklinger, rotor, magneter og halvlederoverganger. En konservativ modell etterlater ytelse ubrukt, mens en optimistisk modell medfører risiko for raskere aldring eller svikt.
Luft- og kappekjøling
Luftkjøling fjerner varme fra motorhuset ved hjelp av naturlig eller viftedrevet luftstrøm. Løsningen er enkel og krever ingen væskerør, men luftens evne til å overføre varme er begrenset. Den egner seg bedre for maskiner med lavere effekt, hjelpemotorer eller driftsmønstre med moderat kontinuerlig belastning enn for en kompakt trekkenhet med høy ytelse.
Det vanlige neste trinnet er en vann-glykol-kappe rundt statorhuset. Kjølemiddelet strømmer gjennom støpte eller maskinerte kanaler og overfører varmen til en radiator eller en annen termisk krets i bilen. Denne velprøvde løsningen holder den elektrisk ledende væsken utenfor det elektriske hulrommet.
Svakheten er varmeveien. Varmen fra kobberet må passere gjennom isolasjon, impregneringsmateriale, statorlamineringer, kontaktflater i huset og kappeveggen. Bedre kontakt og høyere varmeledningsevne i materialene kan hjelpe, men den ytre kappen er fortsatt fysisk adskilt fra viklingenes varme punkter.
Oljekjøling nær varmekilden
Elektrisk kompatibel olje kan sprøytes på viklingsendene, ledes gjennom statorkanaler, sirkuleres gjennom en hul aksel eller brukes til å kjøle rotor og lagre. En drivenhet kan benytte samme basisvæske til girsmøring og motorkjøling, mens pumper, dyser, returløp, filtrering og en kjølemiddel-til-olje-varmeveksler styrer kretsen.
Olje nær kobberet forkorter varmeveien og kan øke den tillatte kontinuerlige strømtettheten. Oljekjøling av rotoren er spesielt nyttig når rotoren utvikler betydelig varme, eller når magnettemperaturen er kritisk.
Direkte oljekjøling medfører også viskøs motstand, pumpeforbruk og krav til lufting, filtrering, tetninger og materialkompatibilitet. Strømmen må nå alle varme områder uten å oversvømme deler som gir for store omrøringstap. Oljens elektriske egenskaper og aldring må forbli akseptable gjennom hele levetiden.
Direkte viklings- og sporkjøling
Ved direkte viklingskjøling plasseres en varmeveksler eller kjølemiddelkanal i umiddelbar kontakt med, eller svært nær, lederen. Konseptene omfatter varmevekslere i sporene, olje gjennom forseglede sporkanaler, varmeledende kjøleelementer ved siden av viklingen og hule ledere med innvendig kjølemiddelstrøm.
Disse metodene omgår en del av den termiske motstanden i isolasjonen og statorkjernen. Forskning og prototyper viser stort potensial for høyere strømtetthet og effekttetthet i motoren, men det tekniske arbeidsområdet utvides: Elektrisk isolasjon, trykkfall, balansert strømning, korrosjon, lekkasjedeteksjon, sammenføyning, produksjonstoleranser og reparasjon blir alle en del av viklingsdesignet.
Hule ledere gir den korteste veien fra kobbervarmen til kjølemiddelet, men de reduserer en del av det ledende tverrsnittet og krever pålitelige væsketilkoblinger til hver parallelle strømningsvei. De bør betraktes som en avansert arkitektur, ikke som standardutstyr i dagens elektriske personbiler.
Rotor- og akselkjøling
En induksjonsrotor utvikler tap i buret, en elektrisk magnetisert rotor utvikler tap i feltviklingen, og permanentmagneter kan trenge beskyttelse mot varme og virvelstrømtap. Kjølingen kan nå rotoren via olje i luftgapet, innvendige dyser, en hul aksel eller varmeledning gjennom akselen og lagrene.
Å føre kjølemiddel inn i en roterende enhet medfører ytterligere krav til sentrifugal strømning, roterende tetninger, balansering, trykk og utmattingsstyrke. Den termiske fordelen må forsvare disse mekaniske kostnadene og pålitelighetskostnadene.
Integrert varmestyring for drivenheten
Motor, vekselretter, girkasse og differensial fungerer best ved ulike temperaturer og bruker forskjellige væsker. En kompakt e-aksel kan kombinere en vann-glykol-krets for statorhus og vekselretter med en oljekrets for tannhjul, lagre, rotor og viklinger. En varmeveksler forbinder kretsene uten å blande væskene.
Integrasjonen forkorter kablene og sparer plass, men kobler også sammen varmekildene. Varm olje kan påvirke girenes virkningsgrad annerledes enn motorviklingene, mens en vekselretter kan kreve lavere kjølemiddeltemperatur enn motorhuset. Pumper, ventiler, omløp og programvare leder varmen i tråd med behovet under oppvarming, kjøring, lading og høy belastning.
Selve kjølesystemet bruker energi. Pumpeeffekt, vifteeffekt og oljemotstand må tas med når konstruksjoner sammenlignes. Maksimal kjøling til enhver tid er sjelden den mest effektive løsningen; variabel gjennomstrømning bør gi den varmeavledningen som den aktuelle driftssyklusen krever.
Pålitelighet og service
Avansert kjøling flytter en del av risikoen fra temperatur til rørføring og materialer. Ingeniørene må ta hensyn til tetningenes levetid, porøsitet i slanger og støpegods, galvanisk korrosjon, kjølemiddelets ledningsevne, oljeoksidasjon, tette filtre, partikler, pumpeslitasje, frostbeskyttelse, kollisjonsskader og lekkasjedeteksjon.
En direktekjølt motor kan levere mer kontinuerlig effekt med mindre aktivt materiale, men servicearbeidet kan bli mer komplisert hvis viklingen, rotoren og oljekretsen utgjør én uatskillelig enhet. Holdbarhetstestingen må omfatte trykk- og temperatursykluser, vibrasjoner, overturtall, forurensning og det kjemiske samspillet mellom væske, isolasjon, lim, magneter og tetninger.
Hva førere kan utlede
De fleste spesifikasjoner for elbiler oppgir ikke kjølemiddelstrøm, viklingstemperatur eller kontinuerlig motoreffekt. Repeterbare akselerasjonstester, oppførsel ved vedvarende høy hastighet, tilhengergrenser og veiledning om banekjøring kan avsløre en del av varmestrategien, men de kan ikke skille motorkjølingen fra batteriets og vekselretterens begrensninger.
De mest nyttige produsentdataene ville oppgi toppeffektens varighet, kontinuerlig effekt ved definerte kjølemiddel- og omgivelsestemperaturer, motorens maksimale turtall, kjølemetoden og om angivelsen gjelder motoren alene eller hele drivenheten.
Gå tilbake til Electric Motors and Drive Units.