Kylning av elmotorer i elbilar
En drivmotor i en elbil kan ha mycket hög verkningsgrad och ändå alstra flera kilowatt värme vid hög effekt. Kylningen avgör hur länge drivenheten kan upprätthålla vridmoment och effekt utan att överskrida gränserna för lindningar, magneter, rotor, lager, smörjmedel, växelriktare eller tätningar.
Varifrån värmen kommer
Ström genom statorlindningarna ger kopparförluster som är proportionella mot strömmen i kvadrat och lindningsresistansen. Elplåten bidrar med hysteres- och virvelströmsförluster när dess magnetfält förändras. Virvelströmmar kan uppstå i permanentmagneter och andra ledande rotordelar, medan en induktionsbur eller elektriskt magnetiserad rotor har egna resistiva förluster.
Lager, tätningar, kugghjul, oljepumpar, oljeomrörning och luftmotstånd ger ytterligare mekaniska förluster. Växelriktaren alstrar separat värme i halvledare och passiva komponenter och sitter ofta intill motorn i en integrerad drivenhet.
Förlustfördelningen varierar över varvtals- och vridmomentskartan. Hög ström gör att lindningsvärmen dominerar vid många driftpunkter med lågt varvtal och högt vridmoment. Järn-, magnet-, luftmotstånds-, omkopplings- och mekaniska förluster blir viktigare när den elektriska frekvensen och rotationshastigheten ökar.
Toppeffekt är inte kontinuerlig effekt
Motorns termiska massa kan ta upp en kort värmepuls och därmed möjliggöra toppeffekt vid acceleration. Kontinuerlig effekt kräver att kylsystemet avleder värme lika snabbt som drivenheten alstrar den under definierade förhållanden för kylvätska, lufttemperatur och hastighet.
När de beräknade temperaturerna närmar sig en gräns minskar styrprogramvaran strömmen eller effekten. Denna termiska effektreducering skyddar lindningsisoleringen, magneternas koercivitet, rotorstrukturer, kraftelektronik, smörjmedel och lager. Två elbilar med samma toppeffekt i kilowatt kan därför uppföra sig olika vid upprepade accelerationer, ihållande hög hastighet, klättring, släpvagnskörning, bankörning eller körning i varmt väder.
Temperaturgivare kan inte täcka alla varma punkter. Styrenheterna kombinerar mätvärden med termiska modeller som uppskattar temperaturen i lindningar, rotor, magneter och halvledarövergångar. En konservativ modell lämnar prestanda outnyttjad, medan en optimistisk modell riskerar att påskynda åldrandet eller orsaka fel.
Luft- och mantelkylning
Luftkylning avleder värme från motorhuset genom naturligt eller fläktdrivet luftflöde. Lösningen är enkel och kräver inga vätskeledningar, men luftens värmeöverföringsförmåga är begränsad. Den lämpar sig bättre för maskiner med lägre effekt, hjälpmotorer eller driftscykler med måttlig kontinuerlig belastning än för en kompakt dragenhet med hög effekt.
Det vanliga nästa steget är en vatten-glykolmantel runt statorhuset. Kylvätska strömmar genom gjutna eller bearbetade kanaler och överför värmen till en kylare eller en annan värmekrets i fordonet. Denna beprövade lösning håller den elektriskt ledande vätskan utanför det elektriska utrymmet.
Svagheten är värmevägen. Värmen från kopparen måste passera genom isolering, impregneringsmaterial, statorplåtar, kontaktytor i huset och mantelväggen. Bättre kontakt och högre värmeledningsförmåga i materialen kan hjälpa, men den yttre manteln är fortfarande fysiskt åtskild från lindningarnas varma punkter.
Oljekylning nära värmekällan
Elektriskt kompatibel olja kan sprutas på lindningsändarna, ledas genom statorkanaler, cirkuleras genom en ihålig axel eller användas för att kyla rotor och lager. En drivenhet kan använda samma basvätska för kugghjulssmörjning och motorkylning, medan pumpar, munstycken, returflöde, filtrering och en kylvätska-till-olja-värmeväxlare reglerar kretsen.
Olja nära kopparen förkortar värmevägen och kan höja den tillåtna kontinuerliga strömtätheten. Oljekylning av rotorn är särskilt användbar när rotorn alstrar betydande värme eller när magnettemperaturen är kritisk.
Direkt oljekylning medför också visköst motstånd, pumpförbrukning samt krav på luftavskiljning, filtrering, tätningar och materialkompatibilitet. Flödet måste nå alla varma områden utan att dränka delar som ger alltför stora omrörningsförluster. Oljans elektriska egenskaper och åldrande måste förbli godtagbara under hela livslängden.
Direkt lindnings- och spårkylning
Vid direkt lindningskylning placeras en värmeväxlare eller kylkanal i omedelbar kontakt med, eller mycket nära, ledaren. Koncepten omfattar värmeväxlare i spåren, olja genom tätade spårkanaler, värmeledande kylelement intill lindningen och ihåliga ledare med invändig kylvätskeströmning.
Dessa metoder kringgår en del av det termiska motståndet i isoleringen och statorkärnan. Forskning och prototyper visar stor potential för högre strömtäthet och effekttäthet i motorn, men det tekniska arbetet blir mer omfattande: Elektrisk isolering, tryckfall, balanserat flöde, korrosion, läckagedetektering, fogning, tillverkningstoleranser och reparation blir alla delar av lindningskonstruktionen.
Ihåliga ledare ger den kortaste vägen från kopparvärmen till kylvätskan, men de minskar en del av det ledande tvärsnittet och kräver tillförlitliga vätskeanslutningar till varje parallell flödesväg. De bör betraktas som en avancerad arkitektur, inte som standardutrustning i dagens elektriska personbilar.
Rotor- och axelkylning
En induktionsrotor alstrar förluster i buren, en elektriskt magnetiserad rotor alstrar förluster i fältlindningen och permanentmagneter kan behöva skyddas mot värme och virvelströmsförluster. Kylningen kan nå rotorn genom olja i luftgapet, invändiga munstycken, en ihålig axel eller värmeledning genom axeln och lagren.
Att föra in kylvätska i en roterande enhet medför ytterligare krav på centrifugalt flödesbeteende, roterande tätningar, balansering, tryck och utmattningshållfasthet. Den termiska nyttan måste motivera dessa mekaniska kostnader och tillförlitlighetskostnader.
Integrerad värmehantering för drivenheten
Motor, växelriktare, växellåda och differential fungerar bäst vid olika temperaturer och använder olika vätskor. En kompakt e-axel kan kombinera en vatten-glykolkrets för statorhus och växelriktare med en oljekrets för kugghjul, lager, rotor och lindningar. En värmeväxlare förbinder kretsarna utan att vätskorna blandas.
Integrationen förkortar kablarna och sparar utrymme, men kopplar också samman värmekällorna. Het olja kan påverka kugghjulens verkningsgrad på ett annat sätt än motorlindningarna, medan en växelriktare kan behöva en lägre kylvätsketemperatur än motorhuset. Pumpar, ventiler, förbikopplingar och programvara leder värmen efter behoven vid uppvärmning, körning, laddning och hög belastning.
Själva kylsystemet förbrukar energi. Pumpeffekt, fläkteffekt och oljemotstånd måste räknas med när konstruktioner jämförs. Maximal kylning hela tiden är sällan den effektivaste lösningen; ett variabelt flöde bör ge den värmeavledning som den aktuella driftscykeln kräver.
Tillförlitlighet och service
Avancerad kylning flyttar en del av risken från temperatur till rördragning och material. Ingenjörerna måste ta hänsyn till tätningarnas livslängd, porositet i slangar och gjutgods, galvanisk korrosion, kylvätskans ledningsförmåga, oljeoxidation, igensatta filter, partiklar, pumpslitage, frostskydd, krockskador och läckagedetektering.
En direktkyld motor kan ge högre kontinuerlig effekt med mindre aktivt material, men servicearbetet kan bli mer komplicerat om lindningen, rotorn och oljekretsen bildar en oskiljaktig enhet. Hållbarhetsprovningen måste omfatta tryck- och temperaturcykler, vibrationer, övervarvning, föroreningar och den kemiska samverkan mellan vätska, isolering, lim, magneter och tätningar.
Vad förare kan utläsa
De flesta specifikationer för elbilar anger inte kylvätskeflöde, lindningstemperatur eller kontinuerlig motoreffekt. Repeterbara accelerationstester, beteende vid ihållande hög hastighet, släpvagnsgränser och vägledning för bankörning kan avslöja en del av värmestrategin, men de kan inte skilja motorkylningen från batteriets och växelriktarens begränsningar.
De mest värdefulla tillverkaruppgifterna skulle ange toppeffektens varaktighet, kontinuerlig effekt vid definierade kylvätske- och omgivningstemperaturer, motorns maximala varvtal, kylmetoden samt om märkningen gäller enbart motorn eller hela drivenheten.
Gå tillbaka till Electric Motors and Drive Units.