Villanymotor hűtése: víz vagy olaj?

Az elektromos járműmotorok hűtésével kapcsolatos "víz/glikol vagy olajhűtés a jobbabb?" kérdésre nincs egymondatnyi válasz: a víz hatékonyabb hűtőközeg, de elektromos vezetőképessége miatt nem érhet hozzá a motorhoz; az olaj pedig fizikailag gyengébb közeg lévén mégis képes behatolni oda, ahol a hő keletkezik, ezért a gyakorlatban hidegebb motorokat eredményez. Ezért a modern hajtóművek egyre inkább az olaj felé tolódnak, miközben a víz/glikol kört teljesen nem hagyják el. Ebben a cikkben összehasonlítjuk a két stratégia működési elveit, numerikus különbségeit és tervezési döntéseit.

Miért jobb hűtőközeg a víz/glikol, de rosszabb szomszéd?

Hőszállító képesség tekintetében a víznek szinte nincs versenytársa. A fajhőkapacitása és hővezetőképessége markánsan magasabb az olajénál; vagyis az azonos térfogatban áramló víz gyorsabban szállít el több hőt, mint az olaj. Az etilénglikol hozzáadása a keverékhez a fagypontot és a korróziós viselkedést szabályozza, de nem változtatja meg a közeg alapvető hőtechnikai jellemzőit.

A probléma a víz és az elektronika világ közötti alapvető összeférhetetlenségben rejlik: a glikolkeverék elektromosan vezető. Minden ponton, ahol a tekercsek, a csatlakozók vagy a teljesítményelektronika a felületet érinti, rövidzárlat és elektrolitikus korrózió veszélye merül fel. Ezért a víz/glikol a hajtóműben csak olyan területeken használható, amelyek félfal választja el az elektromos alkatrészektől. A gyakorlatban ez a határ a sztátort körülvevő vízköpeny.

Hogyan működik a vízköpeny és hol kezdődik a határa?

A vízköpeny fogalmilag hasonlít a klasszikus belső égésű motor vízcsatornáihoz: a glikol-víz keverék egy zárt házüregben kering, amely körülveszi a sztátorcsomag külső felületét, és a hőt a külső radiátorhoz szállítja. Így a réztekercsek által termelt hő először a sztátorlemezek mentén a külső felületre vezetődik, majd átadódik a közegnek. A rendszer robusztus, elektromosan biztonságos, és költsége alacsony.

A gyenge pontja a geometriájában van. A rotor a légrés miatt elkülönül a sztátortól, ezért semmilyen érintkezésbe nem kerül a közeggel; a rotor és rajta lévő permanens mágnesek lényegében a légréssel és a tengelyen keresztül, vagyis vezetés útján és hatástalan módon hűlnek. Termikus szimulációkban a rotor és a mágnesek a víz/glikol rendszerek legkritikusabb hőmérsékleti pontjaként jelennek meg. A motor hőmérséklete nagy terhelésnél meghaladhatja a 200 °C-ot; ez a permanens mágnesek részleges demagnetizációjához, a szigetelés felgyorsult öregedéséhez és a folyamatos teljesítmény csökkenéséhez vezet.

A mérnökök néha kreatív módon nyújtják ezt a határt. Az Audi a vízköpeny mellé egy a rotort a közepén átszelő vízcsatornát építve a rotort közvetlenül célzó megoldást alkalmazott; azonban az ilyen tervezés kivétel, a szabály az, hogy a víz nem juthat az elektromos zónákba.

Olajspray: hűtés ott, ahol a hő keletkezik

Az olaj fizikai előnye egyetlen szóra redukálható: dielektromos. A szigetelő tulajdonságú olaj közvetlenül érintkezhet a tekercsekkel, a rotorral és a mágnesekkel; ráadásul a kenés feladatát is ellátja. A hő nem az átviteli láncok végén, hanem a keletkezés helyén adódik át a folyadéknak. Ez az egyetlen különbség a teljes termikus ellenállási láncot rövidíti le.

A numerikus különbség feltűnő. A TotalEnergies és az EnginSoft szimulációs összehasonlításában a közvetlen olajhűtéses konfiguráció az átlaghőmérsékletben 10 °C, a tekercshőmérsékletben pedig legalább 14 °C előnyt biztosít - mégpedig az olajáramlási sebesség alacsonyan tartott összehasonlítási körülmények között is. Egy magas fordulatszámú előzési szcenárióban, 10.000 fordulat/perc körül, a különbség 40 °C-ig emelkedik. Egy független akadémiai tanulmány ugyanerre az irányra mutat: autópályás vezetésnél a közvetlen hűtésű motor hőmérséklete a vízköpenyesnél körülbelül 30 °C-kal alacsonyabb marad, és ez közvetlenül a maximális nyomatékban és a teljesítményben is megmutatkozik.

Hogyan juttatják az olajat a motor belsejébe?

A tekercsvégek hűtésére több kiforrott módszer létezik:

• Soktorkönyökű csepegtető hűtés: A hűtőfolyadék a tekercsvégekre precíz és homogén módon csepegtetik; a rotorfürdőhöz képest kevesebb olajat igényel.
• Nyomás alatti porlasztás: A szivattyúval nyomás alá helyezett olaj közvetlenül a tekercsvégekre porlasztva merőleges ütéshűtést biztosít.
• Rotorhűtés üreges tengelyen keresztül: Az olaj a tengely egyik oldalán lép be, és a forgó szerkezetnek köszönhetően eloszlik; hairpin tekercselésű PMSM-eknél elterjedt megoldás.
• Axialis csatornájú rotorhűtés: A rotoron belüli axialis csatornák az olajat a tekercsvégek forró pontjainak közelébe szállítják.

A rotorból érkező centrifugális erő megkönnyíti a munkát: a forgó alkatrészek úgy viselkednek, mint egy segédszivattyú, amely az olajat a tekercsekhez és a maghoz eloszlatja. Egy hibrid architektúrában az olajspray a teljes hűtőkapacitáshoz körülbelül 80%-kal járul hozzá - a fennmaradó rész nagyrészt a víz oldalának a dolga.

Hogyan változtatja meg a motortípus a termikus terhelést: PMSM és aszinkron

A hűtési stratégia a motor típusától függően eltérő problémameghatározással kezdődik. Apermanens mágneses szinkronmotornál (PMSM) a rotormágneses mezőt nem indukció, hanem a rotorba épített mágnesek biztosítják; a rotorveszteségek nagyon alacsonyak, ami megkönnyíti a termikus menedzsmentet. Az ellensúlya viszont a mágnesek hőmérséklet-érzékenysége: a rotor a rendszer legsebezhetőbb termikus zónája, és a demagnetizáció kockázata határozza meg a tervezés hőhatárait.

Aszinkron motornál viszont mivel a rotort indukált áram gerjeszti, a rotorveszteségek szerkezetileg magasabbak, a hatásfok pedig a PMSM alatt marad. Ezzel szemben nincs kockázata a motor mágneses demagnetizációjának; a termikus határok lazábban kezelhetők. Ez a mérnöki logika annak, hogy egyes gyártók az első tengelyre hatásfokos PMSM-t, a hátsó tengelyre pedig hőtűrőbb aszinkron motort választanak: minden motort a saját termikus karaktere szerint hűtenek.

Ez a termikus különbség a folyadék kiválasztásában is meghatározó. Minden olyan motornál, amelynek rotora és mágnesei hőkockázatot hordoznak, nő annak értéke, hogy az olaj be tud hatolni azokba a zónákba, ahová a vízköpeny nem ér el. Hogy 2022 első felében az olajhűtéses motorok elérték az elektromos autópiac 50%-os részesedését, ennek a trendnek a kézzelfogható eredménye; a piaci részesedés további növekedése várható, azonban előrejelzések szerint a tisztán vízköpenyes motorok is jelentős helyen maradnak.

Hogyan működik az inverter hűtőlemeze?

A hajtáslánc legkülönlegesebb hőérzékeny alkatrésze nem a motor, hanem az inverter. Benne a szilícium IGBT vagy SiC MOSFET kapcsolók minden amper be- és kikapcsolásakor hőt termelnek, a félvezetők hőkerete pedig nagyon szűk. Ezért az invertermodulokat szinte mindig víz/glikollal töltött hűtőlemezekkel hűtik.

Az elv az elvezetésen alapul: a teljesítményfélvezetők közvetlenül a hűtőlemezekhez csatlakoznak (hővezető pasztát használnak az érintkezési ellenállás csökkentésére), a hő vezetés útján a lemezre jut, és a lemezen belüli csatornákban áramló folyadék elszállítja ezt a hőt a szivattyúval a távoli hőcserélőhöz. Mivel a folyadék a hőt sokkal gyorsabban szállítja, mint a levegő, a kompakt teljesítményelektronikában szinte az egyetlen választás. Az IGBT-modulok hűtőlemez-tervezése továbbra is kulcskérdés az inverter teljesítményének javításában.

De miért nem hűtik az invertert közvetlenül olajjal? A válasz ismét a vezetőképesség kérdése és az áramkör bonyolultsága: kutatják a váltást - ígéretesnek találták azokat a konzorciumi projekteket, amelyek a motort és az invertert egyetlen folyadékkal hűtik (mint például a Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens és Flanders Make részvételével zajló SingleOilCnL) - azonban a közeljövőben nem várható, hogy uralkodó stratégiává váljon. Ma a tipikus architektúra hibrid: a dielektromos olaj hűti a rotort és a sztátort, a hőcserélőben átadja a hőt a víz/glikol körnek; a glikol pedig az inverter lemezét és a radiátort táplálja.

Miért függ a csúcsteljesítmény és a folyamatos teljesítmény közötti különbség a hűtőrendszertől?

A prospektusban szereplő kW-érték a csúcsteljesítmény: a motor rövid távú maximális kimenete. A folyamatos teljesítmény viszont az a teljesítmény, amelyet a motor túlmelegedés nélkül korlátlan ideig képes fenntartani, és a kettő közötti részt meghatározó egyetlen dolog a hőmenedzsment. A hűtőrendszer termikus pufferként működik: minél jobban hűt, annál hosszabb ideig marad meg a csúcsteljesítmény, és annál magasabb szinten a folyamatos teljesítmény.

Világítsuk be konkrétan. Két hasonló külső méretű nehézgépjármű-motor adatai világosan mutatják a különbséget:

Vízhűtéses motornál a tekercs hőmérséklete hosszú emelkedőn jellemzően egy percen belül átlépheti a határértéket; a rendszer csökkenti a nyomatékot (termikus nyomatékkorlátozás), és szükség esetén a jármű teljesítménycsökkentésre kényszerül. Az olajhűtés a felesleges termikus ellenállások megszüntetésével növeli a folyamatos teljesítményt: egy 10 kilométeres, 4%-os emelkedőn az olajhűtéses motor körülbelül 20%-kal magasabb folyamatos teljesítményt és 37,5%-kal magasabb folyamatos nyomatékot tart. Ez a különbség nem távolsági vonatot, hanem teherautót vagy nehéz kereskedelmi járművet vezetőknek - ahol a hosszú emelkedők és a magas átlagsebességek valóság - a vásárlási döntést megváltoztató méretű.

A hatékony hűtésnek közvetett haszna is van: ugyanazzal a termikus költségvetéssel kisebb és erősebb motor tervezhető, ami tömeg- és költségmegtakarítást jelent.

Melyik helyzetben melyiket érdemes választani?

A táblázat a két megközelítés erősségeit és gyengeségeit foglalja össze:

A választás valójában nem versengés, hanem optimalizálás kérdése. Az olaj- és vízhűtés nem egymás alternatívájaként, hanem különböző feladatciklusokra adott különböző válaszként értelmezendő: alacsony és közepes terhelési profiloknál, ahol a költség és az egyszerűség az elsődleges, a vízköpeny legtöbbször elegendő. Hosszú emelkedőkön, magas átlagsebességeknél és magas fordulatszámot igénylő alkalmazásoknál a közvetlen olajhűtés előnye egyértelművé válik. Ráadásul az olajhűtéses hajtógépegységben általában továbbra is van víz/glikol kör - ez az a kör, amely végül az olaj által felvett hőt a légkörbe juttatja, és az inverterlapot is ellátja.

Az integrációs trend emellett erősíti az olaj pozícióját: ahogy a motor és a sebességváltó egyetlen csomagban egyesül, a kenés és a motorhűtés egyetlen folyadékkal történő megoldása gyakorlati szükségletté válik. A folyadék formulálásánál a termikus menedzsment a kenési teljesítmény mellett fő tervezési kritériumként szerepel.

Következtetés: nem folyadék-összehasonlítás, hanem elhelyezkedés-összehasonlítás

Ennek az összehasonlításnak a helyes olvasata nem a győztes keresése, hanem a fogalmak helyes elhelyezése. A víz papíron jobb hűtőközeg; az olaj a gyakorlatban jobb pozícióban van - mert ez az egyetlen folyadék, amely bejuthat a hő születési pontjába. Az átlagosan 10 °C-os, a tekercsekben 14 °C-t meghaladó és magas fordulatszámon 40 °C-ra felkapaszkodó hőmérséklet-különbség nem fizikai, hanem érintkezési fölény következménye. A következő generációs hajtógépegységekben a víz/glikol kör még egy ideig marad, de a hőforrás mellett lévő olaj szerepe tovább nő. Motorválasztáskor ne a prospektusban szereplő csúcsteljesítményre, hanem a folyamatos teljesítményre és azt lehetővé tevő hűtési architektúrára figyeljen: a valódi teljesítmény ott rejtőzik.

Források

• 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