Elektrikli Motorda Soyutma: Su mu, Yag mi?

Elektrikli avtomobil mühərrikində su/glikol soyutması yoxsa yağ soyutması daha yaxşıdır sualının bir cümləlik cavabı yoxdur: su daha səmərəli soyuducudur, lakin elektrik keçiriciliyinə görə mühərrikə toxuna bilmir; yağ isə fiziki cəhətdən daha zəif bir axıcı olmasına baxmayaraq, istiliyin doğulduğu yerin içinə sızə bildiyi üçün praktikada daha soyuq mühərriklər istehsal edir. Buna görə də müasir ötürücü aqreqatları tədricən yağ tərəfinə keçsə də, su/glikol dövranını tamamilə tərk etmir. Bu məqalədə iki strategiyanın iş prinsiplərini, rəqəmsal fərqlərini və dizayn qərarlarını müqayisə edirik.

Su/Glikol Niyə Daha Yaxşı Soyuducu, amma Daha Pis Qonşudur?

İstilik daşıma tutumu baxımından suyun əlində demək olar heç bir rəqib yoxdur. Xüsusi istilik tutumu və istilik keçiriciliyi yağdan açıq şəkildə yüksəkdir; yəni eyni həcmdə axan su, yağdan daha çox istiliyi daha sürətlə aparır. Qarışıqa etilen qlikolun əlavə edilməsi donma nöqtəsini və korroziya davranışını tənzimləyir, axıcının əsas istilik xarakterini isə dəyişmir.

Problem suyun elektronika dünyası ilə olan əsas uyğunsuzluğundadır: qlikol qarışımı elektrik keçiricidir. Sarğıların, konektorların və ya güc elektronikasının səthə toxunduğu hər nöqtədə qısaqapanma və elektrolitik korroziya riski yaranır. Buna görə də su/glikol ötürücü aqreqatında yalnız elektrik komponentlərindən metal divarla ayrılmış zonlarda istifadə edilə bilər. Praktikada bu sərhəd, statorun xaricini sarılan su gömlecidir.

Su Gömleci Necə İşləyir və Sərhəd Harada Başlayır?

Su gömleci konseptual olaraq klassik daxili yanma mühərrikinin su kanallarına bənzəyir: qlikol-su qarışımı, stator paketinin xarici səthini sarılan qapalı bir korpus boşluğunda dövran edir və istiliyi xaricdəki radiatora daşıyır. Beləliklə, mis sarğıların istehsal etdiyi istilik əvvəlcə stator laminasiyaları boyunca xarici səthə ötürülür, sonra axıcıya keçir. Sistem etibarlıdır, elektrik cəhətdən təhlükəsizdir və maya dəyəri aşağıdır.

Zəif nöqtəsi onun geometriyasındadır. Rotor hava boşluğu ilə statordan ayrıldığı üçün axıcı ilə heç vaxt təmas etmir; rotor və üzərindəki daimi maqnitlər əsasən hava boşluğu və şaft vasitəsilə, yəni ötürmə yolu ilə və səmərəsiz şəkildə soyuyur. Termal simulyasiyalarda rotor və maqnitlər, su/glikol sistemlərinin ən kritik istilik nöqtəsi kimi ortaya çıxır. Mühərrik istiliyi yüksək yükdə 200 °C-ni aşə bilər; bu da daimi maqnitlərdə qismən demaqnitizasiyaya, izolyasiyanın sürətlənmış qocalmasına və davamlı gücün azalmasına gətirib çıxarır.

Mühəndislər bu sərhədi bəzən yaradıcı şəkildə uzadır. Audi, su jiletinin yanına rotora mərkəzindən keçən su kanalı əlavə edərək rotoru birbaşa hədəfləyən həll tətbiq etmişdir; lakin bu cür dizayn istisnadır və qayda ondan ibarətdir ki, su elektrikləşmiş bölgələrə daxil ola bilməz.

Yağ Püskürtmə: İstiliyin Yaranacağı Yerdə Soyutma

Yağın fiziki üstünlüyü bir sözə sənasıl olunur: dielektrik. İzolyasiya xüsusiyyətli yağ, sarğılara, rotora və maqnitlərə birbaşa təmas edə bilər; üstəlik yağlama vəzifəsini də öz üzərinə götürür. İstilik, ötürüm zəncirlərinin sonunda deyil, yaranan nöqtədə mayeyə keçir. Bu tək fərq, bütün termal müqavimət zəncirini qısaltdır.

Rəqəmsal fərq təsiredicidir. TotalEnergies və EnginSoft-un simulyasiya müqayisəsində birbaşa yağ soyutmalı konfiqurasiya orta temperaturda 10 °C, sarğı temperaturunda ən az 14 °C üstünlük verir - üstəlik yağ axınının aşağı saxlanıldığı müqayisə şərtlərində. Yüksək fırlanma sürətli ötmə ssenarisində, 10.000 rpm ətrafında, fərq 40 °C-yə çatır. Müstəqil bir akademik tədqiqat da eyni istiqaməti göstərir: avtomobil yolu sürüşündə birbaşa soyutmalı motorun temperaturu su jiletliyə görə təxminən 30 °C daha aşağı qalır və bu, maksimum moment ilə gücə birbaşa əks olunur.

Yağ motorun içinə necə çatdırılır?

Uc sarğı soyutması üçün bir neçə yetkinləşmiş üsul var:

• Manifold damcı soyutma: Soyutma mayesi, sarğı uçlarına dəqiq və homogen şəkildə damlanır; rotor vannasına görə daha az yağ tələb edir.
• Təzyiqli püskürtmə: Pompa ilə təzyiqləndirilən yağ, uc sarğılara birbaşa püskürdülür və dik toqquşma soyutması təmin edir.
• İçi boş mil üzərindən rotor püskürtmə: Yağ, milin bir tərəfindən daxil olur və dönməkdə olan quruluş sayəsində yayılır; hairpin sarğılı PMSM-lərdə geniş yayılmış həlldir.
• Ox kanallı rotor soyutma: Rotor daxilindəki ox kanalları, sarğı uçlarındakı isti nöqtələrin yaxınlığına yağ daşıyır.

Rotordan gələn mərkəzdənqaçma qüvvəsi işi asanlaşdırır: dönməkdə olan hissələr, yağı sarğılara və nüvəyə yaymaqda yardımçı nasos kimi davranır. Hibrid bir memarlıqda yağ püskürtmənin ümumi soyutma tutumuna töhfəsi təxminən %80 ətrafındadır - qalan hissə əsasən su tərəfinin işidir.

Motor Tipi Termal Yünü Necə Dəyişir: PMSM və Asinxron

Soyutma strategiyası, motorun tipinə görə fərqli bir problem tərifi ilə başlayır. Daimi maqnitli sinxron motorda (PMSM) rotor maqnit sahəsi induksiya ilə deyil, rotora gömülü maqnitlərlə təmin olunur; rotor itkiləri çox aşağıdır və bu, termal idarəetməni asanlaşdırır. Əvəzi isə maqnitlərin temperatur həssaslığıdır: rotor, sistemin ən həssas termal bölgəsidir və maqnitdən çıxarma riski dizaynın istilik hədlərini müəyyən edir.

Asinxron motorda isə rotora cərəyan induksiya olunduğu üçün rotor itkiləri struktural olaraq daha yüksəkdir və səmərəlilik PMSM-nin altında qalır. Bunun əvəzinə motorun maqnit demaqnitizasiyası kimi riski yoxdur; termal sərhədlər daha sərbəst idarə oluna bilər. Bəzi istehsalçıların ön oxda səmərəli PMSM, arxa oxda istiliyə daha dözümlü asinxron motor seçməsinin mühəndislik məntiqi məhz budur: hər motor öz termal xarakterinə görə soyudulur.

Bu termal fərq maye seçimində də müəyyənedicidir. Rotoru və maqnitləri istilik riski daşıyan hər motorda, su jacketsinin çata bilmədiyi bölgələrə daxil ola bilən yağın dəyəri artır. 2022-nin ilk yarısında yağla soyudulan motorların elektrik avtomobil bazarında %50 paya çatması bu meylin konkret nəticəsidir; bazar payının artmağa davam edəcəyi gözlənilir, lakin yalnız su jacketsili motorların da mühüm yerdə qalacağı proqnozlaşdırılır.

İnvertorda Soyutma Platası Necə İşləyir?

Ötürücü zəncirinin ən istiyə həssas komponenti motor deyil, invertordur. İçindəki silisium IGBT və ya SiC MOSFET açarlar hər amper açılıb-bağlanmasında istilik yaradır və yarımkeçiricilərin temperatur büdcəsi çox dardır. Buna görə invertor modulları demək olar ki, hər zaman su/glikollu soyutma plataları ilə soyudulur.

Prinsip keçirməyə əsaslanır: güc yarımkeçiriciləri birbaşa soyutma platasına bağlanır (istilik pastası, təmas müqavimətini azaltmaq üçün istifadə olunur), istilik keçirmə yolu ilə platasına ötürülür və platanın içindəki kanallarda axan maye bu istiliyi alıb nasosla uzaqdakı istilik dəyişdiricisinə daşıyır. Maye istiliyi havadan qat-qat sürətli daşıdığı üçün kompakt güc elektronikasında demək olar ki, yeganə seçimdir. IGBT modullarının soyutma platası dizaynı, invertor performansını yaxşılaşdırmaqda açar mövzu olmaqda davam edir.

Bəs invertor niyə birbaşa yağla soyudulmur? Cavab yenə keçiricilik məsələsi və dövrənin mürəkkəbliyidir: dəyişiklik araşdırılır - motor və invertoru tək maye ilə soyutmağı hədəfləyən konsorsium layihələri (Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens və Flanders Make-in daxil olduğu SingleOilCnL kimi) ümidverici hesab olunur - lakin yaxın gələcəkdə dominant strategiya olacağı gözlənilmir. Bu gün tipik arxitektura hibritdir: dielektrik yağı rotoru və statoru soyudur, istilik dəyişdiricidə istiliyi su/glikol dövrəsinə ötürür; glikol isə invertor platasını və radiatoru qidalandırır.

Zirvə Gücü ilə Davamlı Güc Arasındakı Fərq Niyə Soyutma Sistemi ilə Bağlıdır?

Broşürdəki kW dəyəri zirvə gücüdür: motorun qısamüddətli maksimum çıxışı. Davamlı güc isə motorun həddindən artıq qızmadan limitsiz müddət saxlaya biləcəyi gücdür və ikisi arasındakı boşluğu müəyyən edən yeganə şey termal idarəetmədir. Soyutma sistemi termal tampon funksiyası görür: nə qədər yaxşı soyudursa, zirvə gücü o qədər uzun müddət və davamlı güc o qədər yüksək səviyyədə qalır.

Konkretləşdirək. Bənzər xarici ölçülərə malik iki ağır ticarət motorunun məlumatları fərqi aydın göstərir:

Su ilə soyudulan mühərrikdə zirvə qalxışında sarğının temperaturu adətən bir dəqiqə ərzində həddi aşacaq; sistem momenti məhdudlaşdırır (termal moment məhdudiyyəti) və lazım gələrsə nəqliyyat vasitəsi gücün azalmasına məcbur edilir. Yağın soyudulması lazımsız termal müqavimətləri aradan qaldırdığı üçün davamlı performansı yüksəldir: 10 kilometrlik %4 maili yüksəlişdə yağla soyudulan mühərrik təxminən %20 daha yüksək davamlı güc və %37,5 daha yüksək davamlı moment saxlayır. Bu fərq şəhərlərarası qatar yox, qatar yox, yük və ya ağır ticarət vasitəsi sürənlər üçün - uzun yüksəlişlərin və yüksək orta sürətlərin real olduğu hallarda - alınma qərarını dəyişəcək qədər böyükdür.

Səmərəli soyutmanın dolayı faydası da var: eyni termal büdcə ilə daha kiçik və daha güclü mühərrik layihələndirilə bilər, bu da çəki və maliyyə qənaəti deməkdir.

Hansı Halda Hansı Üstün Tutulmalıdır?

Cədvəl iki yanaşmanın güclü və zəif tərəflərini ümumiləşdirir:

Seçim əslində rəqabət deyil, optimizasiya məsələsidir. Yağ və su soyutması bir-birinin alternativi kimi deyil, fərqli görev dövrləri üçün fərqli cavablar kimi düşünülməlidir: aşağı və orta yük profillərində, maya və sadəlik üstünlük təşkil edəndə su jacketi çox vaxt kifayətdir. Uzun qalxmalarda, yüksək orta sürətlərdə və yüksək fırlanma tələb edən tətbiqlərdə birbaşa yağ soyutmasının üstünlüyü aydınlaşır. Üstəlik yağla soyudulan bir ötürmə vahidində su/glikol dövranı adətən yenə də mövcuddur - yağın aldığı istini nəhayət atmosferə daşıyan, invertor plakasını da qidalandıran dövran budur.

Həmçinin inteqrasiya trendi yağın mövqeyini gücləndirir: mühərrik və transmissiya bir paketdə birləşdikcə, yağlamanın və mühərrik soyutmasının tək maye ilə həll edilməsi praktiki zərurətə çevrilir. Maye formulunda istilik idarəetməsi, yağlama performansı ilə yanaşı əsas dizayn meyarı kimi qəbul edilir.

Nəticə: Maye Müqayisəsi Deyil, Yerləşdirmə Müqayisəsi

Bu müqayisəni oxumağın doğru yolu qalib axtarmaq deyil, terminləri doğru yerləşdirməkdir. Su, kağız üzərində daha yaxşı soyuducudur; yağ isə praktikada daha yaxşı mövqedədir - çünki istinin doğulduğu nöqtəyə daxil ola bilən tək mayedir. Orta hesabla 10 °C-lik, sarğılarda 14 °C-yi aşan və yüksək fırlanmada 40 °C-yə qalxan temperatur fərqi fiziki üstünlük deyil, təmas üstünlüyünün nəticəsidir. Növbəti nəsil ötürmə vahidlərində su/glikol dövranı bir müddət daha qalacaq, lakin istilik mənbəyinin yanındakı yağın payı böyüməyə davam edəcək. Mühərrik seçərkən broşürdəki zirvə gücə deyil, davamlı gücə və onu mümkün edən soyutma arxitekturasına baxın: real performans orada gizlənib.

Mənbələr

• Comparison of Commonly Used Cooling Concepts for EV Traction Motors
• The Transition to Oil in EV Thermal Management
• Comparing cooling methods for e-motors
• How to Choose the Right Electric Truck Motor: Oil-Cooled vs. Water-Cooled
• Study on high-speed electric motor cooling with oil spray
• Thermal Management in Electric Vehicles | E-Motor Cooling Technology
• A hybrid oil cooling strategy for thermal management of electric motors
• Optimization of rotational oil-spray-cooling structure
• A review of structural design for direct oil cooling
• Rotor oil injection cooling, hairpin end winding
• Cooling and dynamic performance of electric vehicle motors
• Induction vs. Permanent Magnet Motors | Efficiency & Torque
• Comparative Thermal Performance Analysis of Induction and PMSM
• Cold Plate Cooling Systems: Design, Optimization
• Advanced Cooling for Power Electronics
• Oil Cooling Systems for EV Drive Motors
• Although Electric Cars Don't Need Petroleum, Their Motors Still Require Oil
• EV Motor Heating Issue and Oil Cooling