การระบายความร้อนในมอเตอร์ไฟฟ้า: น้ำหรือน้ำมัน?

คำถามว่าระบบระบายความร้อนแบบน้ำ/ไกลคอลหรือแบบน้ำมันดีกว่ากันสำหรับมอเตอร์ของยานยนต์ไฟฟ้า ไม่มีคำตอบแบบประโยคเดียว: น้ำเป็นสารระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพกว่า แต่เนื่องจากมีสภาพนำไฟฟ้าจึงสัมผัสกับมอเตอร์ไม่ได้; ส่วนน้ำมันแม้จะเป็นของไหลที่มีสมรรถนะทางกายภาพต่ำกว่า แต่เนื่องจากสามารถซึมเข้าไปถึงจุดที่ความร้อนเกิดขึ้นได้ ในทางปฏิบัติจึงให้มอเตอร์ที่เย็นกว่า ด้วยเหตุนี้ระบบขับเคลื่อนสมัยใหม่จึงค่อย ๆ เอนไปทางฝั่งน้ำมันมากขึ้น แต่ก็ยังไม่ละทิ้งวงจรน้ำ/ไกลคอลโดยสิ้นเชิง ในบทความนี้เราเปรียบเทียบหลักการทำงาน ความแตกต่างเชิงตัวเลข และการตัดสินใจด้านการออกแบบของกลยุทธ์ทั้งสอง

ทำไมน้ำ/ไกลคอลจึงเป็นสารระบายความร้อนที่ดีกว่าแต่เป็น "เพื่อนบ้าน" ที่แย่กว่า?

ในแง่ความสามารถในการขนถ่ายความร้อน แทบไม่มีคู่แข่งใดเทียบได้กับน้ำ ความจุความร้อนจำเพาะและการนำความร้อนของน้ำสูงกว่าน้ำมันอย่างชัดเจน; กล่าวคือ น้ำที่ไหลผ่านในปริมาตรเท่ากันสามารถพาความร้อนออกไปได้มากกว่าและเร็วกว่าน้ำมัน การเติมเอทิลีนไกลคอลลงในสารผสมช่วยปรับจุดเยือกแข็งและพฤติกรรมการกัดกร่อน แต่ไม่ได้เปลี่ยนคุณลักษณะทางความร้อนพื้นฐานของของไหล

ปัญหาอยู่ที่ความเข้ากันไม่ได้โดยพื้นฐานระหว่างน้ำกับโลกอิเล็กทรอนิกส์: สารผสมไกลคอลนำไฟฟ้า ทุกจุดที่ขดลวด ขั้วต่อ หรืออุปกรณ์กำลังไฟฟ้าสัมผัสพื้นผิวกัน ความเสี่ยงของการลัดวงจรและการกัดกร่อนแบบอิเล็กโทรไลติกจึงเกิดขึ้น ด้วยเหตุนี้ น้ำ/ไกลคอลจึงใช้ได้เฉพาะในบริเวณที่แยกออกจากส่วนประกอบไฟฟ้าด้วยกำแพงโลหะภายในชุดขับเคลื่อนเท่านั้น ในทางปฏิบัติ ขอบเขตดังกล่าวคือแจ็คเก็ตน้ำที่ล้อมรอบด้านนอกของสเตเตอร์

แจ็คเก็ตน้ำทำงานอย่างไรและขอบเขตเริ่มต้นตรงไหน?

แจ็คเก็ตน้ำมีแนวคิดคล้ายคลึงกับช่องน้ำของเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิม: สารผสมไกลคอล-น้ำไหลเวียนในช่องว่างของตัวเรือนแบบปิดที่ล้อมรอบพื้นผิวด้านนอกของชุดแกนสเตเตอร์ และพาความร้อนไปยังหม้อน้ำภายนอก ด้วยวิธีนี้ ความร้อนที่ขดลวดทองแดงผลิตขึ้นจะถูกนำผ่านแผ่นแกนสเตเตอร์ไปยังพื้นผิวด้านนอกก่อน จากนั้นจึงถ่ายเทเข้าสู่ของไหล ระบบนี้แข็งแรง ปลอดภัยในเชิงไฟฟ้า และมีต้นทุนต่ำ

จุดอ่อนของมันอยู่ที่เรขาคณิต เนื่องจากโรเตอร์ถูกแยกจากสเตเตอร์ด้วยช่องอากาศ จึงไม่สัมผัสกับของไหลเลย; โรเตอร์และแม่เหล็กถาวรบนตัวมันจึงถูกระบายความร้อนผ่านช่องอากาศและเพลาเป็นหลัก กล่าวคือผ่านการนำถ่ายเทและไม่มีประสิทธิภาพ ในการจำลองทางความร้อน โรเตอร์และแม่เหล็กปรากฏเป็นจุดอุณหภูมิที่วิกฤตที่สุดของระบบน้ำ/ไกลคอล อุณหภูมิของมอเตอร์สามารถสูงเกิน 200 °C ได้ภายใต้ภาระงานสูง; ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียแม่เหล็กบางส่วนในแม่เหล็กถาวร การเสื่อมสภาพของฉนวนที่เร็วขึ้น และการลดลงของกำลังต่อเนื่อง

วิศวกรบางครั้งยืดขีดจำกัดนี้อย่างสร้างสรรค์ Audi ได้เพิ่มช่องทางน้ำที่ทะลุผ่านศูนย์กลางโรเตอร์ควบคู่กับแจ็กเก็ตน้ำ เป็นโซลูชันที่ทำความเย็นให้โรเตอร์โดยตรง แต่การออกแบบลักษณะนี้ถือเป็นข้อยกเว้น โดยกฎทั่วไปคือน้ำต้องไม่สามารถเข้าสู่บริเวณไฟฟ้าได้

การพ่นน้ำมันหล่อเย็น: การระบายความร้อน ณ จุดที่ความร้อนเกิดขึ้น

ข้อได้เปรียบทางฟิสิกส์ของน้ำมันสรุปได้ในคำเดียว: ไดอิเล็กทริก น้ำมันที่มีสมบัติเป็นฉนวนสามารถสัมผัสโดยตรงกับขดลวด โรเตอร์ และแม่เหล็กได้ และยังทำหน้าที่หล่อลื่นอีกด้วย ความร้อนถ่ายโอนสู่ของไหล ณ จุดที่มันเกิดขึ้น ไม่ใช่ที่ปลายห่วงโซ่การนำความร้อน ความแตกต่างเพียงจุดเดียวนี้ช่วยตัดทอนห่วงโซ่ความต้านทานความร้อนทั้งหมด

ผลต่างเชิงตัวเลขน่าทึ่งมาก ในการเปรียบเทียบการจำลองของ TotalEnergies และ EnginSoft การกำหนดค่าที่หล่อเย็นด้วยน้ำมันโดยตรงให้ข้อได้เปรียบ 10 °C ในอุณหภูมิเฉลี่ย และอย่างน้อย 14 °C ในอุณหภูมิขดลวด ทั้งที่อยู่ในเงื่อนไขการเปรียบเทียบที่อัตราการไหลของน้ำมันถูกควบคุมให้ต่ำ ในสถานการณ์แซงที่รอบเครื่องสูงราว 10,000 rpm ผลต่างสูงถึง 40 °C งานวิจัยทางวิชาการอิสระก็ชี้ไปในทิศทางเดียวกัน: ในการขับขี่บนทางหลวง อุณหภูมิของมอเตอร์ที่หล่อเย็นโดยตรงต่ำกว่าแบบแจ็กเก็ตน้ำราว 30 °C และผลนี้สะท้อนโดยตรงต่อแรงบิดสูงสุดและกำลัง

นำน้ำมันเข้าสู่ภายในมอเตอร์ได้อย่างไร?

สำหรับการหล่อเย็นปลายขดลวด มีหลายวิธีที่พัฒนาจนเป็นผู้ใหญ่แล้ว:

• การหยดหล่อเย็นผ่านแมนิโฟลด์: ของเหลวหล่อเย็นจะถูกหยดลงบนปลายขดลวดอย่างแม่นยำและสม่ำเสมอ ต้องการน้ำมันน้อยกว่าการจุ่มโรเตอร์
• การพ่นแรงดันสูง: น้ำมันที่อัดแรงดันด้วยปั๊มจะถูกพ่นเข้าที่ปลายขดลวดโดยตรง ให้การระบายความร้อนแบบกระแทกตั้งฉาก
• การพ่นโรเตอร์ผ่านเพลากลวง: น้ำมันเข้าจากด้านหนึ่งของเพลาและกระจายตัวด้วยการหมุนของชิ้นส่วน เป็นโซลูชันที่นิยมใช้ใน PMSM ที่ใช้ขดลวดแบบ hairpin
• การหล่อเย็นโรเตอร์ด้วยช่องทางตามแกน: ช่องทางตามแกนภายในโรเตอร์ลำเลียงน้ำมันไปยังบริเวณใกล้จุดร้อนที่ปลายขดลวด

แรงหนีศูนย์กลางจากโรเตอร์ช่วยอำนวยความสะดวกในงานนี้: ชิ้นส่วนที่หมุนอยู่ทำหน้าที่เหมือนปั๊มเสริมช่วยกระจายน้ำมันไปยังขดลวดและแกนเหล็ก ในสถาปัตยกรรมแบบไฮบริด การพ่นน้ำมันมีส่วนช่วยในความสามารถการระบายความร้อนรวมราว 80% ที่เหลือส่วนใหญ่เป็นหน้าที่ของฝั่งน้ำ

ประเภทมอเตอร์เปลี่ยนภาระความร้อนอย่างไร: PMSM และอะซิงโครนัส

กลยุทธ์การหล่อเย็นเริ่มต้นจากการนิยามปัญหาที่แตกต่างกันตามประเภทของมอเตอร์ ในมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) สนามแม่เหล็กของโรเตอร์ไม่ได้มาจากการเหนี่ยวนำ แต่มาจากแม่เหล็กที่ฝังอยู่ในโรเตอร์ ความสูญเสียในโรเตอร์จึงต่ำมาก ซึ่งช่วยให้การจัดการความร้อนง่ายขึ้น ข้อแลกเปลี่ยนคือความไวต่ออุณหภูมิของแม่เหล็ก: โรเตอร์เป็นบริเวณความร้อนที่เปราะบางที่สุดของระบบ และความเสี่ยงการสูญเสียแม่เหล็กเป็นตัวกำหนดขีดจำกัดอุณหภูมิของการออกแบบ

ในมอเตอร์อะซิงโครนัส เนื่องจากกระแสถูกเหนี่ยวนำเข้าโรเตอร์ ความสูญเสียในโรเตอร์จึงสูงกว่าตามโครงสร้าง และประสิทธิภาพต่ำกว่า PMSM แลกกับสิ่งนั้น มอเตอร์ไม่มีความเสี่ยงการสูญเสียแม่เหล็ก: ขีดจำกัดทางความร้อนจึงจัดการได้ยืดหยุ่นกว่า นี่คือเหตุผลทางวิศวกรรมที่ผู้ผลิตบางรายเลือกใช้ PMSM ที่มีประสิทธิภาพบนเพลาหน้า และมอเตอร์แบบอินดักชันที่ทนความร้อนได้ดีกว่าบนเพลาหลัง: มอเตอร์แต่ละตัวจะถูกระบายความร้อนตามลักษณะทางความร้อนของตัวเอง

ความแตกต่างทางความร้อนนี้ยังเป็นตัวชี้ขาดในการเลือกของเหลวหล่อเย็นด้วย ในมอเตอร์ทุกตัวที่โรเตอร์และแม่เหล็กมีความเสี่ยงด้านความร้อน คุณค่าของน้ำมันที่สามารถซึมเข้าไปในบริเวณที่เสื้อน้ำหล่อเย็นเข้าไม่ถึงจึงเพิ่มขึ้น การที่มอเตอร์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำมันครองส่วนแบ่ง 50% ในตลาดรถยนต์ไฟฟ้าในช่วงครึ่งแรกของปี 2022 คือผลลัพธ์ที่จับต้องได้ของแนวโน้มนี้ คาดว่าส่วนแบ่งตลาดจะยังคงเติบโตต่อไป แต่ก็คาดการณ์ว่ามอเตอร์ที่ใช้เสื้อน้ำหล่อเย็นเพียงอย่างเดียวจะยังคงมีบทบาทสำคัญอยู่

แผงระบายความร้อนในอินเวอร์เตอร์ทำงานอย่างไร?

องค์ประกอบที่ไวต่อความร้อนที่สุดในระบบขับเคลื่อนไม่ใช่มอเตอร์ แต่เป็นอินเวอร์เตอร์ สวิตช์ซิลิคอน IGBT หรือ SiC MOSFET ภายในจะสร้างความร้อนทุกครั้งที่เปิดและปิดแอมแปร์ และงบดุลด้านอุณหภูมิของเซมิคอนดักเตอร์มีขอบเขตแคบมาก ด้วยเหตุนี้โมดูลอินเวอร์เตอร์จึงเกือบจะถูกระบายความร้อนด้วยแผงระบายความร้อนที่บรรจุน้ำ/ไกลคอลเสมอ

หลักการทำงานอิงตามการนำความร้อน: เซมิคอนดักเตอร์กำลังจะเชื่อมต่อเข้ากับแผงระบายความร้อนโดยตรง (ใช้ครีมนำความร้อนเพื่อลดความต้านทานการสัมผัส) ความร้อนถ่ายเทไปยังแผงผ่านการนำ และของเหลวที่ไหลผ่านช่องทางภายในแผงจะรับความร้อนนี้และส่งต่อไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อยู่ไกลออกไปด้วยปั๊ม เนื่องจากของเหลวขนความร้อนได้เร็วกว่าอากาศมาก จึงเป็นทางเลือกเดียวเกือบจะแท้จริงในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังขนาดกะทัดรัด การออกแบบแผงระบายความร้อนของโมดูล IGBT ยังคงเป็นประเด็นสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ต่อไป

แล้วทำไมอินเวอร์เตอร์จึงไม่ถูกระบายความร้อนด้วยน้ำมันโดยตรง? คำตอบยังคงเป็นประเด็นเรื่องการนำไฟฟ้าและความซับซ้อนของวงจร: มีการวิจัยการแลกเปลี่ยน - โครงการกลุ่มพันธมิตรที่มุ่งหมายระบายความร้อนของมอเตอร์และอินเวอร์เตอร์ด้วยของเหลวเดียว (เช่น SingleOilCnL ซึ่งมี Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens และ Flanders Make เข้าร่วม) ถูกพบว่ามีแนวโน้มที่ดี - แต่ไม่คาดว่าจะกลายเป็นกลยุทธ์ที่ครอบงำในอนาคตอันใกล้ สถาปัตยกรรมทั่วไปในวันนี้คือแบบไฮบริด: น้ำมันฉนวนไฟฟ้าระบายความร้อนให้โรเตอร์และสเตเตอร์ และถ่ายโอนความร้อนไปยังวงจรน้ำ/ไกลคอลที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ส่วนไกลคอลจะจ่ายให้แผงของอินเวอร์เตอร์และหม้อน้ำ

ทำไมความแตกต่างระหว่างกำลังสูงสุดกับกำลังต่อเนื่องจึงขึ้นอยู่กับระบบระบายความร้อน?

ค่า kW ในโบรชัวร์คือกำลังสูงสุด: ผลลัพธ์สูงสุดระยะสั้นของมอเตอร์ ส่วนกำลังต่อเนื่องคือกำลังที่มอเตอร์สามารถรักษาได้ไม่จำกัดเวลาโดยไม่ร้อนเกินไป และสิ่งเดียวที่กำหนดช่องว่างระหว่างทั้งสองคือการจัดการความร้อน ระบบระบายความร้อนทำหน้าที่เป็นแคชชีทางความร้อน: ยิ่งระบายความร้อนได้ดีเท่าไร กำลังสูงสุดก็จะคงอยู่ได้นานขึ้นเท่านั้น และกำลังต่อเนื่องก็จะอยู่ในระดับที่สูงขึ้นเท่านั้น

มาทำให้เห็นเป็นรูปธรรมกัน ข้อมูลของมอเตอร์สำหรับงานหนักสองรุ่นที่มีขนาดภายนอกใกล้เคียงกันแสดงความแตกต่างได้อย่างชัดเจน:

ในมอเตอร์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ อุณหภูมิของขดลวดที่กำลังสูงสุดมักจะเกินขีดจำกัดภายในหนึ่งนาที; ระบบจะลดแรงบิด (การจำกัดแรงบิดจากความร้อน) และหากจำเป็น ยานพาหนะจะถูกบังคับให้ลดกำลัง การระบายความร้อนด้วยน้ำมันช่วยเพิ่มประสิทธิภาพต่อเนื่อง เนื่องจากขจัดความต้านทานความร้อนที่ไม่จำเป็น: บนทางลาดชัน 4% ระยะ 10 กิโลเมตร เครื่องยนต์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำมันสามารถรักษากำลังต่อเนื่องที่สูงกว่าประมาณ 20% และแรงบิดต่อเนื่องที่สูงกว่า 37.5% ความต่างนี้มีขนาดมากพอที่จะเปลี่ยนการตัดสินใจซื้อสำหรับผู้ขับรถบรรทุกหรือยานพาหนะเชิงพาณิชย์หนัก ไม่ใช่รถไฟระหว่างเมือง - ในสถานการณ์ที่ทางลาดยาวและความเร็วเฉลี่ยสูงเป็นเรื่องจริง

การระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพยังให้ผลตอบแทนทางอ้อมอีกด้วย: ด้วยงบความร้อนเท่าเดิม สามารถออกแบบเครื่องยนต์ที่เล็กลงแต่ทรงพลังมากขึ้น ซึ่งหมายถึงการประหยัดน้ำหนักและต้นทุน

ควรเลือกแบบใดในสถานการณ์ใด?

ตารางสรุปข้อดีและข้อเสียของทั้งสองแนวทาง:

การเลือกจริง ๆ แล้วไม่ใช่การแข่งขัน แต่เป็นเรื่องของการปรับแต่งให้เหมาะสม ควรคิดว่าการระบายความร้อนด้วยน้ำมันและน้ำไม่ใช่ทางเลือกแทนกัน แต่เป็นคำตอบที่แตกต่างกันสำหรับวงจรงานที่แตกต่างกัน: ในโปรไฟล์ภาระต่ำถึงปานกลาง ที่ต้นทุนและความเรียบง่ายเป็นสิ่งสำคัญ เสื้อน้ำมักเพียงพอ ในการใช้งานที่ต้องการทางลาดยาว ความเร็วเฉลี่ยสูง และรอบสูง ความเหนือกว่าของการระบายความร้อนด้วยน้ำมันโดยตรงจะชัดเจนขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น หน่วยขับเคลื่อนที่ระบายความร้อนด้วยน้ำมันมักยังมีวงจรน้ำ/ไกลคอลอยู่ - วงจรนี้เป็นตัวพาความร้อนที่น้ำมันดูดซับไปสู่บรรยากาศในที่สุด และยังจ่ายให้แผ่นอินเวอร์เตอร์ด้วย

นอกจากนี้ แนวโน้มการบูรณาการยังเสริมตำแหน่งของน้ำมัน: ยิ่งมอเตอร์และเกียร์ถูกรวมเข้าเป็นชุดเดียวมากขึ้น การแก้ปัญหาการหล่อลื่นและการระบายความร้อนของมอเตอร์ด้วยของไหลชนิดเดียวก็ยิ่งกลายเป็นข้อกำหนดเชิงปฏิบัติ ในการกำหนดสูตรของไหล การจัดการความร้อนถูกยอมรับเป็นเกณฑ์การออกแบบหลักเคียงคู่กับประสิทธิภาพการหล่อลื่น

บทสรุป: การเปรียบเทียบของไหล ไม่ใช่ แต่เป็นการเปรียบเทียบตำแหน่งการวาง

วิธีที่ถูกต้องในการอ่านการเปรียบเทียบนี้ไม่ใช่การค้นหาผู้ชนะ แต่เป็นการวางคำศัพท์ในตำแหน่งที่ถูกต้อง น้ำเป็นสารหล่อเย็นที่ดีกว่าบนกระดาษ; น้ำมันอยู่ในตำแหน่งที่ดีกว่าในทางปฏิบัติ - เพราะเป็นของไหลเพียงชนิดเดียวที่สามารถเข้าสู่จุดที่ความร้อนเกิดขึ้นได้ ความต่างอุณหภูมิเฉลี่ย 10 °C ที่เกิน 14 °C ที่ขดลวดและพุ่งสูงถึง 40 °C ที่รอบสูง เป็นผลจากความเหนือกว่าในการสัมผัส ไม่ใช่ความเหนือกว่าทางกายภาพ ในหน่วยขับเคลื่อนรุ่นถัดไป วงจรน้ำ/ไกลคอลจะยังคงอยู่ไปอีกระยะหนึ่ง แต่ส่วนแบ่งของน้ำมันที่อยู่ข้างแหล่งความร้อนจะยังคงเติบโตต่อไป เมื่อเลือกมอเตอร์ อย่าดูแค่กำลังสูงสุดในโบรชัวร์ แต่ให้ดูกำลังต่อเนื่องและสถาปัตยกรรมการระบายความร้อนที่ทำให้มันเป็นไปได้: ประสิทธิภาพที่แท้จริงซ่อนอยู่ตรงนั้น

แหล่งอ้างอิง

• 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