Охлаждение электродвигателя 101: масляное или водяное охлаждение для тяговых двигателей — выбор и стоимость

Выбор правильной архитектуры охлаждения электродвигателя  определяет, будет ли тяговый двигатель поддерживать непрерывный пиковый крутящий момент на горных склонах или будет ли нарушена изоляция обмотки из-за тепловой перегрузки. В то время как непрямые водно-гликолевые рубашки статора экономично справляются со стандартными рабочими циклами легковых автомобилей, высокопроизводительные спортивные автомобили и тяжелые коммерческие автомобили требуют прямого охлаждения масла автоматической трансмиссии (ATF), чтобы отводить тепло непосредственно от медных концевых обмоток. В нашем В серии руководств по проектированию автомобильного терморегулирования  в этой статье сравниваются пути масляного и водяного охлаждения, маршруты производства корпусов, риски, связанные с уплотнениями, а также пороговые значения удельной мощности.

1. Тепловая проблема тягового двигателя: обмотки статора и непрерывная мощность

Тяговый двигатель современного электромобиля преобразует электрическую энергию в механический крутящий момент с пиковым КПД более 95%. Однако оставшиеся от 3% до 7% электрических потерь проявляются в виде интенсивного отходящего тепла, удерживаемого внутри двух ограниченных пространств: медных обмоток статора и сердечника ротора.

Поскольку инженеры по силовым агрегатам доводят синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) и асинхронные двигатели до более высоких скоростей вращения (от 16 000 до 22 000 об/мин) и более высокого номинального крутящего момента, температура медных обмоток обычно превышает 150–180 °C. Если тепло не может выйти из пазов статора достаточно быстро, изоляция лака ухудшается, электрическое сопротивление резко возрастает, а размагничивание угрожает постоянным магнитам. Управление этим тепловым барьером требует надежной интеграции жилья во всем мире. ТОП-30 компонентов терморегулирования электромобилей,  указанных в спецификациях транспортных средств.

1.1 Тепловое узкое место статора

В обычном двигателе с непрямым водяным охлаждением тепло, генерируемое внутри центра пучков медных проводов, должно проходить наружу через эмалевое покрытие, бумагу для прокладки пазов и пластины железного сердечника статора, прежде чем наконец достичь внутренней рубашки охлаждения алюминиевого корпуса.

Этот многослойный твердый барьер создает высокое термическое сопротивление. Даже когда вода-гликоль в соотношении 50/50 быстро течет через внешнюю рубашку корпуса, между горячим медным сердечником обмотки и охлаждающей жидкостью возникает резкий перепад температур от 30°C до 50°C. При длительной буксировке или движении по автобану это узкое место вынуждает производителей оборудования снижать крутящий момент для защиты изоляции статора.

1.2 Пиковая мощность и пределы продолжительной мощности

Пиковое ускорение автомобиля длится от 10 до 30 секунд, в течение которых тепловая масса статора поглощает большую часть выделяемого тепла. Непрерывное вождение, буксировка прицепа или езда по гусеничным дорогам требуют устойчивого отвода тепла, при котором внутреннее генерирование равно удалению жидкости.

·  Косвенное водно-гликолевое охлаждение  обеспечивает высокий пиковый крутящий момент в течение короткого времени, но ограничивает постоянную удельную мощность из-за твердого проводящего барьера сердечника статора; Прямое масляное охлаждение  устраняет этот барьер, промывая жидкостью настоящие медные концевые обмотки.

·  Правило принятия решения 1:  Укажите прямое масляное охлаждение всякий раз, когда соотношение продолжительной и пиковой мощности двигателя превышает 0,65 или когда требования к буксировке и выносливости гусениц требуют поддержания высоких скоростей вала без термического снижения номинальных характеристик.

2. Масляное и водяное охлаждение: принципы и различия в тепловых путях

Оценка путей охлаждения тягового двигателя  требует сравнения двух различных профилей гидродинамики и химической совместимости.

2.1 Водно-гликолевые рубашки статора (непрямое охлаждение)

Для водно-гликолевого охлаждения используется рубашка с замкнутым контуром, отлитая или врезанная в внешний периметр алюминиевого корпуса двигателя. Охлаждающая жидкость никогда не касается внутренних частей двигателя.

·  Плюсы:  Использует существующую центральную тепловую петлю автомобиля (совместно с аккумулятором и инвертором); нулевой риск короткого замыкания при жидкостной обмотке; простое внешнее уплотнительное кольцо.

·  Минусы:  Более длинный тепловой путь; высокое термическое сопротивление пластин статора; более низкая максимальная плотность постоянного тока обмотки.

2.2 Распыление трансмиссионного масла/ATF и охлаждение полости ротора (прямое охлаждение)

Маслоохладитель прямого действия подает низковязкую жидкость для автоматических трансмиссий (ATF) непосредственно через внутренние каналы внутри корпуса двигателя. Жидкость выходит через прецизионные распылительные форсунки, направленные на торцевые обмотки статора, или заполняет полость ротора через полый приводной вал.

·  Плюсы:  Устраняет твердые барьеры проводимости за счет непосредственного контакта жидкости с медью; отводит до 4 раз больше тепла с единицы площади; обеспечивает одновременно внутреннюю смазку подшипников и шестерен.

·  Минусы:  Требуется специальный водомасляный теплообменник (чиллер); требует совместимого эмалированного покрытия проводов; увеличивает гидравлическое сопротивление (потерю ветра) при сверхвысоких скоростях ротора выше 18 000 об/мин.

Чтобы получить более широкое представление о том, как выбор жидкости влияет на силовую электронику и интерфейсы двигателей, ознакомьтесь с нашей технической разбивкой жидкостное или воздушное охлаждение для силовой электроники электромобилей.

3. Интеграция корпуса: водяные рубашки статора в сравнении с корпусами с прямым масляным охлаждением

Физическая геометрия корпуса двигателя полностью меняется в зависимости от того, пропускаете ли вы водно-гликоль через внешние ребра или содержите брызги масла ATF.

3.1 Проектирование водяной рубашки статора

Корпус двигателя с водяным охлаждением обычно изготавливается в виде толстостенной цилиндрической алюминиевой отливки со спиральными или осевыми каналами охлаждения, проходящими между внешним корпусом и запрессованным отверстием статора.

Поскольку для изготовления сложных внутренних спиральных водяных каналов требуются складные песчаные сердечники при традиционном литье — или конструкции с разъемной оболочкой, герметизированные сваркой, — передовые устройства первого уровня все чаще полагаются на литье под высоким давлением в сочетании со сваркой трением с перемешиванием (FSW); изучите геометрию структурного жилья на нашем литые холодные пластины и корпуса . Страница продукта:

3.2 Проектирование корпуса двигателя и поддона с масляным охлаждением

Корпус двигателя с масляным охлаждением должен функционировать как герметичный канал охлаждающей жидкости, так и встроенный масляный поддон коробки передач.

В корпусе имеются внутренние поддоны для сбора капель, маслосборные галереи и резьбовые отверстия для распылительных форсунок, которые заливают переднюю и заднюю медные концевые обмотки. Нижняя часть корпуса действует как резервуар для жидкости, оснащенный неодимовыми магнитными сливными пробками для улавливания микроскопических частиц износа из коробки передач перед тем, как масло будет выведено обратно через внешний насос и теплообменник масло-охлаждающая жидкость.

·  Непрямые водяные рубашки статора  подходят для стандартных пассажирских электромобилей и городских фургонов, ориентированных на низкую сложность производства; Корпуса с прямым масляным охлаждением  больше подходят для высокопроизводительных двухмоторных приводов с электроприводом и тяжелых коммерческих грузовиков, требующих максимального постоянного крутящего момента.

·  Правило принятия решения 2:  Выбирайте водно-гликолевые рубашки статора для двигателей пиковой мощностью менее 180 кВт; переход на прямое охлаждение масла ATF для высокопроизводительных двигателей мощностью более 200 кВт или постоянным крутящим моментом 400 Нм.

4. Материалы и производство: литье алюминия под давлением, уплотнения FSW и медные интерфейсы.

Создание надежного корпуса для охлаждения двигателя требует тщательного подбора металлургии, допусков на механическую запрессовку и процессов герметичного соединения.

4.1 Алюминиевые сплавы корпуса: ADC12, 6061, 6063

Корпуса двигателей выдерживают серьезные механические силы реакции крутящего момента, термоциклирование от -40°C до +140°C и постоянную вибрационную усталость.

·  ADC12 и AlSi10Mg (литье под высоким давлением):  отличная текучесть для сложных тонкостенных корпусов двигателей со встроенными монтажными кронштейнами и патрубками для охлаждающей жидкости. Однако пористость отливки необходимо строго контролировать, чтобы предотвратить вытекание жидкости.

·  6061-T6 и 6063-T6 (экструзия и обработка на станках с ЧПУ):  превосходная теплопроводность (от 167 до 209 Вт·м⁻¹·K⁻¹) и структурный предел текучести. Используется для изготовления высокопроизводительных экструдированных гильз двигателей и рубашек охлаждения. Полное металлургическое сравнение всех 20 автомобильных марок см. в нашем руководстве по автомобильные материалы из алюминия и меди.

4.2 Управление запрессовкой статора

Важнейшим этапом производства при охлаждении двигателя является запрессовка ламинированного железного сердечника статора в отверстие алюминиевого корпуса.

Если запрессовка слишком свободна, между внешним диаметром статора и внутренним отверстием корпуса образуется воздушный зазор, разрушающий теплопроводность. Если запрессовка слишком плотная, несоответствие теплового расширения во время работы при высоких температурах приводит к расширению алюминиевого корпуса (более высокий КТР) от стального сердечника статора (нижний КТР), непредсказуемо закрывая или открывая охлаждающие зазоры.

Производители контролируют это, обрабатывая внутренние отверстия корпуса с соблюдением строгих цилиндрических допусков (класс IT6/IT7) и проверяя шероховатость и округлость поверхности перед автоматической термоусадочной посадкой.

5. Стоимость, целостность уплотнения, обслуживание и сложность системы.

Менеджеры по закупкам, оценивающие варианты охлаждения электродвигателя  , должны взвесить первоначальную стоимость компонентов с учетом упаковки на уровне транспортного средства и гарантийного риска.

5.1 Сравнение спецификации компонентов и сложности производства

В таблице ниже косвенное водяное охлаждение сравнивается с прямым масляным охлаждением по экономическим и эксплуатационным показателям.

 

5.2. Целостность уплотнения и риски пробоя диэлектрика

Водно-гликоль является электропроводным; Если внутреннее уплотнение рубашки выходит из строя внутри корпуса двигателя, охлаждающая жидкость, попадающая в обмотки статора, вызывает немедленное короткое замыкание и необратимый выход из строя преобразователя.

Для прямого охлаждения масла ATF используются специализированные трансмиссионные масла с синтетическим диэлектриком с высоким напряжением пробоя диэлектрика (>35 кВ). Даже если масло попадет на электронные датчики или выводы обмотки внутри полости двигателя, риск короткого замыкания практически исключен, при условии, что масло не содержит проводящих углеродистых частиц износа благодаря встроенной магнитной фильтрации.

6. Правило принятия решения: выбор по мощности двигателя, скорости и рабочему циклу.

Чтобы исключить догадки во время зависаний архитектуры платформы трансмиссии, примените следующие конкретные инженерные пороги:

·  Выбирайте водно-гликолевые кожухи статора  для легковых автомобилей, городских внедорожников и транспортных средств, где продолжительная мощность двигателя остается ниже 120 кВт, максимальная скорость ниже 180 км/ч, а оптимизация затрат имеет первостепенное значение.

·  Выбирайте прямое масляное охлаждение  для высокопроизводительных автомобилей, спортивных седанов и электрических полуприцепов, где постоянная мощность превышает 150 кВт, а высокоскоростное движение по автобану или буксировка прицепа требуют 100% сохранения крутящего момента без термического снижения номинальных характеристик.

·  Выбирайте гибридное охлаждение (водяная рубашка + распыление масла на валу ротора)  для высокопроизводительных электронных осей, где рубашки статора отводят общее тепло по периметру, а внутренние каналы подачи масла полого вала охлаждают магниты ротора непосредственно от размагничивания.

Поскольку требования к охлаждению двигателя сильно различаются в зависимости от класса транспортных средств, выбор производителя, имеющего опыт литья под давлением с водяной рубашкой и корпусов с масляным уплотнением, позволяет избежать инженерных ошибок. Основанная в 2009 году в Дунгуане, компания Guangdong Winshare Thermal Technology Co., Ltd. управляет производственной базой площадью 60 000 квадратных метров, насчитывает более 800 сотрудников и имеет более 200 патентов в соответствии с системами качества IATF 16949, ISO 9001, ISO 14001 и ISO 45001. Компания Winshare поставляет передовые корпуса для охлаждения двигателей и тепловые решения мировым лидерам, включая BYD, Geely, Chery, XPeng, Lucid, Li Auto, Sungrow и Delta.

7. Заключение

Освоение системы охлаждения электродвигателя  требует согласования профиля постоянной мощности и рабочего цикла вашего автомобиля с правильным контуром подачи жидкости и маршрутом производства корпуса:

·  Выбирайте водно-гликолевые кожухи статора  для стандартных легковых автомобилей и экономичных платформ с пиковой мощностью менее 150 кВт.

·  Выбирайте прямое охлаждение масла ATF  для высокопроизводительных электромобилей, тяжелых коммерческих грузовиков и буксирных платформ, которым требуется устойчивый высокий крутящий момент без термического снижения мощности.

·  Обеспечьте строгие требования к качеству корпуса:  требуйте контроля качества IATF 16949, литья под высоким давлением с нулевой пористостью, герметизации рубашки FSW и 100% испытаний на герметичность для устранения гарантийных рисков на местах.

 

Часто задаваемые вопросы

Почему в высокопроизводительных электродвигателях используется масляное охлаждение вместо водяного?

При масляном охлаждении диэлектрическая жидкость подается непосредственно на медные концевые обмотки статора и внутрь вала ротора, полностью минуя пакет изолирующих пластин статора. Этот прямой контакт снижает тепловое сопротивление обмотки до 75%, позволяя двигателям поддерживать удвоенную постоянную выходную мощность без перегрева изоляции обмотки.

Можно ли безопасно использовать водно-гликолевую охлаждающую жидкость внутри электродвигателя с прямым охлаждением?

Нет. Водно-гликоль электропроводен и содержит воду; если он попадает на высоковольтные обмотки статора, это приводит к катастрофическим коротким замыканиям и выходу из строя инвертора. В системах прямого охлаждения должны использоваться специализированные синтетические диэлектрические трансмиссионные масла (ATF) с высоким напряжением пробоя диэлектрика.

Как предотвратить утечку масла в корпусе электродвигателя с прямым масляным охлаждением?

Для предотвращения утечек масла необходимы прецизионно обработанные шейки уплотнений вала, радиальные уплотнения вала из высокотемпературного фторуглерода (FKM), линии разъема корпуса с уплотнительными кольцами и 100% испытания на устойчивость к сухому воздуху в сочетании с автоматическими проверками на утечку гелия в вакуумной камере на каждой отливке корпуса перед установкой статора.

Каково типичное падение температуры на обмотке статора с масляным охлаждением по сравнению с водяным охлаждением?

В то время как непрямая водяная рубашка подвергается перепаду температуры между медным сердечником обмотки и охлаждающей жидкостью от 30°C до 50°C из-за твердых щелевых изоляционных барьеров, прямое разбрызгивание масла снижает внутреннюю разницу температур до 10–15°C.

Как скорость двигателя влияет на конструкцию прямого масляного охлаждения?

При частоте вращения ротора от 18 000 до 20 000 об/мин чрезмерное скопление масла внутри воздушного зазора создает высокое сопротивление жидкости (потери на ветер), что снижает КПД двигателя. Высокоскоростные двигатели с масляным охлаждением требуют тщательного управления потоком жидкости и термической проверки, внутренних маслоотражательных колец и оптимизированных дренажных каналов для мгновенной очистки отработанного масла.

Какие стандарты качества мне следует требовать при покупке алюминиевых корпусов охлаждения двигателей?

Двигатели работают в условиях постоянной высокочастотной вибрации и термического удара. Поставщики должны иметь действующую сертификацию IATF 16949, проводить 100% испытания на падение давления или утечку гелия на рубашках корпусов, а также предоставлять отчеты об ультразвуковом C-сканировании или рентгеновском контроле пористости при литье под высоким давлением.