Koeling van elektromotoren in elektrische auto's
Een tractiemotor in een elektrische auto kan zeer efficiënt zijn en bij een hoog vermogen toch meerdere kilowatt aan warmte produceren. De koeling bepaalt hoelang de aandrijfeenheid koppel en vermogen kan blijven leveren zonder de limieten van de wikkelingen, magneten, rotor, lagers, smeermiddel, omvormer of afdichtingen te overschrijden.
Waar de warmte vandaan komt
Stroom door de statorwikkelingen veroorzaakt koperverlies dat evenredig is met het kwadraat van de stroom en met de weerstand van de wikkeling. Elektrotechnisch staal voegt hysterese- en wervelstroomverliezen toe wanneer het magnetische veld verandert. In permanente magneten en andere geleidende rotordelen kunnen wervelstromen ontstaan, terwijl een inductiekooi of elektrisch bekrachtigde rotor eigen weerstandsverliezen heeft.
Lagers, afdichtingen, tandwielen, oliepompen, het rondwoelen van olie en luchtweerstand voegen mechanische verliezen toe. De omvormer produceert afzonderlijk warmte in halfgeleiders en passieve componenten en bevindt zich in een geïntegreerde aandrijfeenheid vaak naast de motor.
De verdeling van de verliezen verandert over de toerental-koppelkromme. Een hoge stroom zorgt ervoor dat de warmte in de wikkelingen overheerst op veel punten met een laag toerental en een hoog koppel. IJzer-, magneet-, luchtweerstands-, schakel- en mechanische verliezen worden belangrijker naarmate de elektrische frequentie en de draaisnelheid toenemen.
Piekvermogen is geen continu vermogen
De thermische massa van de motor kan een korte warmtepuls opnemen en zo piekvermogen voor acceleratie mogelijk maken. Voor continu vermogen moet het koelsysteem de warmte even snel afvoeren als de aandrijfeenheid deze produceert, onder vastgestelde omstandigheden voor koelmiddel, luchttemperatuur en snelheid.
Wanneer de geschatte temperaturen een grens naderen, verlaagt de regelsoftware de stroom of het vermogen. Deze thermische vermogensbegrenzing beschermt de wikkelingsisolatie, de coërciviteit van de magneten, rotorstructuren, vermogenselektronica, smeermiddel en lagers. Twee elektrische auto's met hetzelfde piekvermogen in kilowatt kunnen zich daardoor verschillend gedragen bij herhaald accelereren, langdurig hoge snelheid, klimmen, trekken van een aanhanger, circuitgebruik of warm weer.
Temperatuursensoren kunnen niet elke hete plek bewaken. Regeleenheden combineren metingen met thermische modellen die de temperaturen van wikkelingen, rotor, magneten en halfgeleiderovergangen schatten. Een behoudend model laat prestaties onbenut; een optimistisch model brengt het risico van versnelde veroudering of defecten met zich mee.
Lucht- en mantelkoeling
Luchtkoeling voert warmte van de motorbehuizing af via natuurlijke of door een ventilator opgewekte luchtstroming. De oplossing is eenvoudig en vereist geen vloeistofleidingen, maar het warmteoverdrachtsvermogen van lucht is beperkt. Ze is geschikter voor machines met een lager vermogen, hulpmotoren of gebruikscycli met een bescheiden continue belasting dan voor een compacte tractie-eenheid met een hoog vermogen.
De gebruikelijke volgende stap is een water-glycolmantel rond de statorbehuizing. Koelmiddel stroomt door gegoten of bewerkte kanalen en draagt warmte over aan een radiator of een ander thermisch circuit van het voertuig. Bij deze beproefde opzet blijft de geleidende vloeistof buiten de elektrische ruimte.
Het zwakke punt is de thermische weg. De warmte uit het koper moet door de isolatie, het impregneermateriaal, de statorlamellen, de aansluitvlakken van de behuizing en de mantelwand gaan. Beter contact en een hogere warmtegeleidbaarheid van materialen kunnen helpen, maar de buitenste mantel blijft fysiek gescheiden van de hete plekken in de wikkelingen.
Oliekoeling dicht bij de warmtebron
Elektrisch geschikte olie kan op de wikkelkoppen worden gespoten, door statorkanalen worden geleid, door een holle as circuleren of worden gebruikt om de rotor en lagers te koelen. Een aandrijfeenheid kan dezelfde basisvloeistof gebruiken voor tandwielsmering en motorkoeling, waarbij pompen, sproeiers, retourafvoer, filtering en een koelmiddel-olie-warmtewisselaar het circuit regelen.
Olie dicht bij het koper verkort de thermische weg en kan een hogere toegestane continue stroomdichtheid mogelijk maken. Oliekoeling van de rotor is vooral nuttig wanneer de rotor veel warmte produceert of wanneer de magneettemperatuur kritisch is.
Directe oliekoeling brengt ook viskeuze weerstand, pompverbruik en eisen aan ontluchting, filtering, afdichting en materiaalcompatibiliteit met zich mee. De stroming moet elke hete zone bereiken zonder delen te overspoelen die overmatig verlies door het rondwoelen van olie veroorzaken. De elektrische eigenschappen en veroudering van de olie moeten gedurende de hele levensduur aanvaardbaar blijven.
Directe koeling van wikkelingen en sleuven
Bij directe wikkelingskoeling bevindt een warmtewisselaar of koelmiddelkanaal zich in rechtstreeks contact met de geleider, of zeer dicht daarbij. Mogelijke uitvoeringen zijn warmtewisselaars in de sleuven, olie door afgedichte sleufkanalen, geleidende koelelementen naast de wikkeling en holle geleiders waar het koelmiddel doorheen stroomt.
Deze methoden omzeilen een deel van de thermische weerstand van de isolatie en de statorkern. Onderzoek en prototypes tonen veel potentieel voor een hogere stroomdichtheid en vermogensdichtheid van de motor, maar het technische werkterrein wordt breder: elektrische isolatie, drukverlies, evenwichtige stroming, corrosie, lekdetectie, verbindingstechniek, productietoleranties en reparatie worden allemaal onderdeel van het wikkelingsontwerp.
Holle geleiders bieden de kortste weg van de koperwarmte naar het koelmiddel, maar leveren een deel van de geleidende doorsnede in en vereisen betrouwbare vloeistofaansluitingen voor elk parallel stroompad. Ze moeten worden beschouwd als een geavanceerde architectuur en niet als een standaardvoorziening van huidige elektrische personenauto's.
Rotor- en askoeling
Een inductierotor veroorzaakt kooiverliezen, een elektrisch bekrachtigde rotor veroorzaakt verliezen in de veldwikkeling en permanente magneten moeten mogelijk worden beschermd tegen hitte en wervelstroomverliezen. De koeling kan de rotor bereiken via olie in de luchtspleet, interne sproeiers, een holle as of warmtegeleiding door de as en lagers.
Koelmiddel in een draaiend geheel brengen voegt eisen toe voor centrifugaal stromingsgedrag, roterende afdichtingen, balancering, druk en vermoeiingssterkte. Het thermische voordeel moet deze mechanische en betrouwbaarheidskosten rechtvaardigen.
Geïntegreerd thermisch beheer van de aandrijfeenheid
Motor, omvormer, transmissie en differentieel functioneren het best bij verschillende temperaturen en gebruiken verschillende vloeistoffen. Een compacte elektrische as kan een water-glycolcircuit voor de statorbehuizing en omvormer combineren met een oliecircuit voor tandwielen, lagers, rotor en wikkelingen. Een warmtewisselaar verbindt de circuits zonder de vloeistoffen te mengen.
Integratie verkort kabels en bespaart ruimte, maar koppelt ook warmtebronnen aan elkaar. Hete olie kan de efficiëntie van tandwielen anders beïnvloeden dan de motorwikkelingen, terwijl een omvormer mogelijk een lagere koelmiddeltemperatuur nodig heeft dan de motorbehuizing. Pompen, kleppen, omloopleidingen en software sturen de warmte op basis van de behoeften tijdens opwarmen, rijden, laden en hoge belasting.
Het koelsysteem zelf verbruikt energie. Pompvermogen, ventilatorvermogen en olieweerstand moeten worden meegenomen bij het vergelijken van ontwerpen. Altijd maximaal koelen is zelden de efficiëntste oplossing; een variabel debiet moet zorgen voor de warmteafvoer die de actuele gebruikscyclus vereist.
Betrouwbaarheid en onderhoud
Geavanceerde koeling verschuift een deel van het risico van temperatuur naar leidingen en materialen. Ingenieurs moeten rekening houden met de levensduur van afdichtingen, porositeit van slangen en gietstukken, galvanische corrosie, geleidbaarheid van het koelmiddel, olieoxidatie, verstopte filters, vuildeeltjes, pompslijtage, vorstbescherming, aanrijdingsschade en lekdetectie.
Een direct gekoelde motor kan met minder actief materiaal meer continu vermogen produceren, maar het onderhoud kan ingewikkelder zijn als de wikkeling, rotor en oliekring één onscheidbaar geheel vormen. Duurzaamheidstests moeten druk- en temperatuurcycli, trillingen, overtoeren, vervuiling en de chemische wisselwerking tussen vloeistof, isolatie, lijm, magneten en afdichtingen omvatten.
Wat bestuurders kunnen afleiden
De meeste specificaties van elektrische auto's vermelden geen koelmiddeldebiet, wikkelingstemperatuur of continu motorvermogen. Herhaalbare acceleratietests, gedrag bij langdurig hoge snelheid, trekgewichtlimieten en richtlijnen voor circuitgebruik kunnen een deel van de thermische strategie onthullen, maar kunnen de motorkoeling niet los zien van de beperkingen van de accu en omvormer.
De meest betekenisvolle fabrikantgegevens zouden de duur van het piekvermogen, het continu vermogen bij vastgestelde koelmiddel- en omgevingstemperaturen, het maximale motortoerental, de koelmethode en de informatie vermelden of de waarde alleen voor de motor of voor de complete aandrijfeenheid geldt.
Ga terug naar Electric Motors and Drive Units.