خنک‌کاری در موتور الکتریکی: آب یا روغن؟

پاسخ یک‌جمله‌ای به این پرسش که در موتور خودروهای الکتریکی، خنک‌کاری با آب/گلایکول بهتر است یا خنک‌کاری با روغن، وجود ندارد: آب خنک‌کننده کارآمدتری است، اما به دلیل رسانایی الکتریکی‌اش نمی‌تواند با موتور تماس داشته باشد؛ روغن نیز اگرچه از نظر فیزیکی سیال ضعیف‌تری است، چون می‌تواند به درون جایی که گرما تولید می‌شود نفوذ کند، در عمل موتورهای خنک‌تری به دست می‌دهد. به همین دلیل است که واحدهای محرکه مدرن به سمت روغن متمایل می‌شوند، اما مدار آب/گلایکول را به‌طور کامل کنار نمی‌گذارند. در این نوشته اصول کار، تفاوت‌های عددی و تصمیم‌های طراحی این دو راهبرد را مقایسه می‌کنیم.

چرا آب/گلایکول خنک‌کننده بهتری است اما همسایه بدتری؟

از نظر ظرفیت انتقال گرما، آب تقریباً هیچ رقیبی ندارد. ظرفیت گرمایی ویژه و رسانایی حرارتی آن به‌طور محسوسی از روغن بالاتر است؛ یعنی آب در همان حجم جریان، گرما را بیش‌تر و سریع‌تر از روغن با خود می‌برد. افزودن اتیلن گلایکول به مخلوط، نقطه انجماد و رفتار خوردگی را تنظیم می‌کند و ماهیت حرارتی پایه سیال را تغییر نمی‌دهد.

مشکل در ناسازگاری بنیادین آب با دنیای الکترونیک است: مخلوط گلایکول رسانای جریان برق است. در هر نقطه‌ای که سیم‌پیچ‌ها، کانکتورها یا الکترونیک قدرت با سطح آن تماس پیدا کند، خطر اتصال کوتاه و خوردگی الکترولیتی ایجاد می‌شود. به همین دلیل آب/گلایکول در واحد محرکه تنها در نواحی‌ای قابل استفاده است که با یک دیواره فلزی از اجزای برقی جدا شده باشند. در عمل، این مرز همان آسترداری است که بیرون استاتور را می‌پوشاند.

آستردار آب چگونه کار می‌کند و مرزش از کجا آغاز می‌شود؟

آستردار آب از نظر مفهومی شبیه مجاری آب موتور درون‌سوز کلاسیک است: مخلوط گلایکول-آب در یک حفره بسته بدنه که سطح بیرونی پوشش استاتور را دربر می‌گیرد گردش می‌کند و گرما را به رادیاتور بیرونی منتقل می‌کند. بدین ترتیب گرمای تولیدشده توسط سیم‌پیچ‌های مسی، ابتدا در طول لایه‌های استاتور به سطح بیرونی هدایت و سپس به سیال منتقل می‌شود. این سیستم مستحکم، از نظر الکتریکی ایمن و کم‌هزینه است.

نقطه ضعف آن در هندسه آن است. روتور به دلیل جدایی از استاتور با فاصله هوایی، اصلاً با سیال تماس پیدا نمی‌کند؛ روتور و آهنرباهای دائمی روی آن عمدتاً از طریق فاصله هوایی و شفت، یعنی به روش هدایتی و ناکارآمد خنک می‌شوند. در شبیه‌سازی‌های حرارتی، روتور و آهنرباها به‌عنوان حساس‌ترین نقطه دمایی سیستم‌های آب/گلایکول ظاهر می‌شوند. دمای موتور در بار زیاد می‌تواند از 200 درجه سانتی‌گراد فراتر رود؛ این امر به کاهش جزئی مغناطش آهنرباهای دائمی، پیر شدن سریع عایق و افت توان پیوسته منجر می‌شود.

مهندسان گاهی این مرز را به شکل خلاقانه‌ای منعطف می‌کنند. آئودی با افزودن یک کانال آب که از مرکز روتور عبور می‌کند در کنار پوسته آبی، راهکاری که مستقیماً روتور را هدف می‌گیرد را به کار برده است؛ اما این نوع طراحی استثناست و قاعده این است که آب نمی‌تواند به مناطق الکتریکی وارد شود.

پاشش روغن: خنک‌کاری در جایی که گرما تولید می‌شود

مزیت فیزیکی روغن را می‌توان در یک کلمه خلاصه کرد: دی‌الکتریک. روغن با خاصیت عایقی می‌تواند مستقیماً با سیم‌پیچ‌ها، روتور و آهنرباها تماس داشته باشد؛ ضمن اینکه وظیفه روانکاری را نیز بر عهده می‌گیرد. گرما نه در انتهای زنجیره‌های انتقال، بلکه در نقطه تولیدش به سیال منتقل می‌شود. همین یک تفاوت، کل زنجیره مقاومت حرارتی را کوتاه می‌کند.

تفاوت عددی چشمگیر است. در مقایسه شبیه‌سازی TotalEnergies و EnginSoft، پیکربندی با خنک‌کاری مستقیم روغن، در دمای متوسط 10 درجه سانتیگراد و در دمای سیم‌پیچ دست‌کم 14 درجه سانتیگراد مزیت ایجاد می‌کند - و این در شرایطی است که دبی روغن پایین نگه داشته شده بود. در سناریوی سبقت گرفتن با دور بالا، در حدود 10000 دور در دقیقه، این تفاوت به 40 درجه سانتیگراد می‌رسد. یک مطالعه آکادمیک مستقل نیز جهت مشابهی را نشان می‌دهد: در رانندگی اتوبان، دمای موتور با خنک‌کاری مستقیم حدود 30 درجه سانتیگراد پایین‌تر از موتور با پوسته آبی باقی می‌ماند و این مستقیماً در گشتاور بیشینه و توان منعکس می‌شود.

روغن چگونه به داخل موتور می‌رسد؟

برای خنک‌کاری انتهای سیم‌پیچ چند روش بالغ وجود دارد:

• خنک‌کاری قطره‌ای از طریق مانیفولد: سیال خنک‌کننده به شکل دقیق و همگن روی انتهای سیم‌پیچ‌ها قطره‌چکانی می‌ریزد؛ نسبت به حمام روتور به روغن کمتری نیاز دارد.
• پاشش تحت فشار: روغن که توسط پمپ فشرده شده، مستقیماً روی انتهای سیم‌پیچ‌ها پاشیده می‌شود و خنک‌کاری برخورد عمود فراهم می‌کند.
• پاشش روتور از طریق شافت توخالی: روغن از یک سمت شافت وارد می‌شود و به کمک ساختار چرخان پخش می‌شود؛ راهکاری رایج در موتورهای PMSM با سیم‌پیچ هیرپین است.
• خنک‌کاری روتور با کانال‌های محوری: کانال‌های محوری داخل روتور، روغن را به نزدیکی نقاط داغ در انتهای سیم‌پیچ‌ها می‌برند.

نیروی گریز از مرکز ناشی از روتور کار را آسان می‌کند: قطعات چرخان مانند یک پمپ کمکی، روغن را روی سیم‌پیچ‌ها و هسته پخش می‌کنند. در یک معماری هیبریدی، سهم پاشش روغن در ظرفیت خنک‌کاری کل حدود 80 درصد است - باقی آن عمدتاً کار سمت آب است.

نوع موتور چگونه بار حرارتی را تغییر می‌دهد: PMSM و آسنکرون

راهبرد خنک‌کاری بسته به نوع موتور با تعریف مسئله‌ای متفاوت آغاز می‌شود. در موتور سنکرون با آهنربای دائم (PMSM)، میدان مغناطیسی روتور نه از طریق القا، بلکه با آهنرباهای تعبیه‌شده در روتور فراهم می‌شود؛ تلفات روتور بسیار پایین است و این مدیریت حرارتی را آسان‌تر می‌کند. در عوض، حساسیت حرارتی آهنرباها عامل جبران است: روتور شکننده‌ترین ناحیه حرارتی سیستم است و خطر دمغناطیس شدن، محدوده‌های حرارتی طراحی را تعیین می‌کند.

در موتور آسنکرون، جریان به روتور القا می‌شود، به همین دلیل تلفات روتور از نظر ساختاری بالاتر است و بازده از PMSM پایین‌تر می‌ماند. در عوض، موتور ریسکی به نام دمغناطیس‌شدن آهنربا ندارد و محدودیت‌های حرارتی را می‌توان با انعطاف بیشتری مدیریت کرد. این همان منطق مهندسی برخی سازندگان است که یک PMSM پربازده برای محور جلو و یک موتور آسنکرون با تحمل حرارتی بیشتر برای محور عقب انتخاب می‌کنند: هر موتور بر اساس شخصیت حرارتی خودش خنک می‌شود.

این تفاوت حرارتی، در انتخاب سیال نیز تعیین‌کننده است. در هر موتوری که روتور و آهنرباهایش ریسک گرمای دارند، ارزش روغنی که می‌تواند به نواحی دست‌نیافتنی توسط ژاکت آبی نفوذ کند، بیشتر می‌شود. رسیدن سهم موتورهای روغن‌خنک‌شونده به 50% بازار خودروهای برقی در نیمه اول سال 2022 نتیجه ملموس این روند است؛ انتظار می‌رود سهم بازار همچنان افزایش یابد، اما پیش‌بینی می‌شود موتورهای صرفاً ژاکت‌آبی نیز جایگاه مهمی را حفظ کنند.

صفحه خنک‌کننده اینورتر چگونه کار می‌کند؟

حساس‌ترین قطعه زنجیره پیشران از نظر حرارت، موتور نیست، بلکه اینورتر است. کلیدهای سیلیکونی IGBT یا SiC MOSFET داخل آن، در هر بار خاموش و روشن شدن هر آمپر گرما تولید می‌کنند و بودجه دمایی نیمه‌هادی‌ها بسیار محدود است. به همین دلیل ماژول‌های اینورتر تقریباً همیشه با صفحات خنک‌کننده پر از آب/گلایکول خنک می‌شوند.

اصول کار مبتنی بر رسانش است: نیمه‌هادی‌های قدرت مستقیماً به صفحه خنک‌کننده متصل می‌شوند (خمیر حرارتی برای کاهش مقاومت تماس استفاده می‌شود)، گرما از طریق رسانش به صفحه منتقل می‌شود و سیالی که در کانال‌های داخل صفحه جریان دارد، این گرما را دریافت کرده و با پمپ به مبدل حرارتی دور می‌برد. از آنجا که سیال، گرما را بسیار سریع‌تر از هوا منتقل می‌کند، در الکترونیک قدرت فشرده تقریباً تنها گزینه است. طراحی صفحه خنک‌کننده ماژول‌های IGBT همچنان موضوع کلیدی در بهبود عملکرد اینورتر است.

اما چرا اینورتر مستقیماً با روغن خنک نمی‌شود؟ پاسخ دوباره مسئله رسانش و پیچیدگی مدار است: تحقیق و توسعه ادامه دارد - پروژه‌های کنسرسیومی که هدفشان خنک‌کردن موتور و اینورتر با یک سیال واحد است (مانند SingleOilCnL با مشارکت Dana، Diabatix، Lubrizol، Siemens و Flanders Make) امیدوارکننده ارزیابی می‌شوند - اما انتظار نمی‌رود در آینده نزدیک به استراتژی غالب تبدیل شود. امروز معماری رایج ترکیبی است: روغن دی‌الکتریک روتور و استاتور را خنک می‌کند و در مبدل حرارتی، گرما را به مدار آب/گلایکول منتقل می‌دهد؛ گلایکول نیز صفحه اینورتر و رادیاتور را تغذیه می‌کند.

چرا تفاوت بین توان اوج و توان پیوسته به سیستم خنک‌کاری بستگی دارد؟

مقدار کیلوواتی که در بروشور ذکر می‌شود توان اوج است: حداکثر خروجی کوتاه‌مدت موتور. توان پیوسته اما توانی است که موتور می‌تواند برای مدت نامحدود بدون داغ‌شدن بیش از حد حفظ کند، و تنها عاملی که فاصله بین این دو را تعیین می‌کند، مدیریت حرارتی است. سیستم خنک‌کاری نقش یک بافر حرارتی را ایفا می‌کند: هرچه بهتر خنک کند، توان اوج مدت طولانی‌تری و توان پیوسته در سطح بالاتری باقی می‌ماند.

بیایید آن را ملموس کنیم. داده‌های دو موتور سنگین تجاری با ابعاد بیرونی مشابه، تفاوت را به‌خوبی نشان می‌دهند:

در موتور آب‌خنک، دمای سیم‌پیچ در سربالایی‌های تند معمولاً در ظرف یک دقیقه از حد مجاز فراتر می‌رود؛ سیستم گشتاور را کاهش می‌دهد (محدودسازی گشتاور حرارتی) و در صورت لزوم خودرو مجبور به کاهش توان می‌شود. روغن‌کاری و خنک‌کاری با روغن، مقاومت‌های حرارتی غیرضروری را حذف می‌کند و بنابراین عملکرد پیوسته را بالا می‌برد: در یک سربالایی 4 درصدی به طول 10 کیلومتر، موتور روغن‌خنک تقریباً 20 درصد توان پیوسته بالاتر و 37.5 درصد گشتاور پیوسته بالاتر را حفظ می‌کند. این تفاوت برای کسانی که نه خودروی شهری بلکه کامیون یا وسیله نقلیه تجاری سنگین می‌رانند - در شرایطی که سربالایی‌های طولانی و سرعت‌های متوسط بالا واقعیت دارند - در حدی است که می‌تواند تصمیم خرید را تغییر دهد.

خنک‌کاری کارآمد یک مزیت غیرمستقیم هم دارد: با همان بودجه حرارتی می‌توان موتور کوچک‌تر و قدرتمندتری طراحی کرد که یعنی صرفه‌جویی در وزن و هزینه.

در چه شرایطی کدام یک ترجیح داده شود؟

جدول، نقاط قوت و ضعف دو رویکرد را خلاصه می‌کند:

انتخاب در واقع مسئله رقابت نیست، بلکه مسئله بهینه‌سازی است. روغن و آب باید نه به‌عنوان جایگزین یکدیگر، بلکه به‌عنوان پاسخ‌های متفاوتی برای چرخه‌های کاری متفاوت در نظر گرفته شوند: در پروفایل‌های بار کم و متوسط، وقتی هزینه و سادگی اولویت دارد، ژاکت آبی اغلب کافی است. در کاربردهایی که شیب‌های طولانی، سرعت‌های متوسط بالا و دورهای بالا را می‌طلبند، برتری خنک‌کاری مستقیم با روغن آشکار می‌شود. افزون بر این، در یک واحد محرکه خنک‌شونده با روغن معمولاً بازهم مدار آب/گلایکول وجود دارد - این همان مداری است که گرمای جذب‌شده توسط روغن را سرانجام به اتمسفر می‌برد و پوشک معکوس را نیز تغذیه می‌کند.

همچنین روند یکپارچه‌سازی جایگاه روغن را تقویت می‌کند: هرچه موتور و گیربکس در یک پکیج واحد ترکیب شوند، حل مسئله روانکاری و خنک‌کاری موتور با یک سیال واحد به یک ضرورت عملی تبدیل می‌شود. در فرمولاسیون سیال، مدیریت حرارتی در کنار عملکرد روانکاری به‌عنوان یکی از معیارهای اصلی طراحی پذیرفته شده است.

نتیجه‌گیری: مقایسه سیال‌ها نیست، مقایسه موقعیت قرارگیری است

راه درست خواندن این مقایسه، جستجوی برنده نیست، بلکه جایگذاری درست اصطلاحات است. آب روی کاغذ خنک‌کننده بهتری است؛ روغن در عمل موقعیت بهتری دارد - زیرا تنها سیالی است که می‌تواند به نقطه تولد گرما نفوذ کند. اختلاف دمای 10 درجه سلسیوس در میانگین، بیش از 14 درجه سلسیوس در سیم‌پیچ‌ها و صعود تا 40 درجه سلسیوس در دورهای بالا، نتیجه برتری فیزیکی نیست، بلکه نتیجه برتری تماس است. در نسل بعدی واحدهای محرکه، مدار آب/گلایکول هنوز مدتی باقی خواهد ماند، اما سهم روغنی که در کنار منبع گرما قرار دارد به رشد خود ادامه خواهد داد. هنگام انتخاب موتور، به توان حداکثری در بروشور نگاه نکنید، بلکه به توان پیوسته و معماری خنک‌کاری که آن را ممکن می‌سازد توجه کنید: عملکرد واقعی آنجا پنهان است.

منابع

• 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