Raffreddamento dell'alloggiamento del motore dei veicoli elettrici: una guida per l'acquirente su progettazione, materiali e tolleranze

Un motore di trazione da 150 kW che eroga 142 kW all'albero scarica i restanti 8kW sotto forma di calore in uno statore più piccolo di una scatola da scarpe. Le analisi di settore attribuiscono il 30-40% dei guasti ai motori a magneti permanenti a un eccessivo aumento della temperatura e quasi tutto il calore deve disperdersi attraverso un componente: l'alloggiamento. Questo è il motivo per cui il raffreddamento dell’alloggiamento del motore dei veicoli elettrici è passato da un dettaglio in fase avanzata a una disciplina che decide se un motore raggiunge il suo obiettivo di densità di potenza o declassa sul banco di prova.

Questa guida illustra le architetture di raffreddamento che convogliano il calore attraverso l'alloggiamento, i compromessi relativi al materiale e allo spessore delle pareti e le specifiche misurabili che un acquirente dovrebbe stabilire prima di rilasciare i disegni a un fornitore di alloggi.

Perché il raffreddamento dell'alloggiamento del motore dei veicoli elettrici inizia dall'alloggiamento stesso

L'alloggiamento è il più grande dissipatore di calore singolo collegato allo statore, quindi la sua geometria, lo spessore delle pareti e la qualità della lavorazione determinano il limite massimo di calore che il motore può dissipare.

Il calore generato negli avvolgimenti in rame e nel rotore deve attraversare una catena di interfacce prima di raggiungere il refrigerante: isolamento dell'avvolgimento, pacco di laminazione, accoppiamento a pressione tra pacco e foro dell'alloggiamento, parete dell'alloggiamento e infine la superficie del canale. La vernice, l'aria intrappolata e gli strati di ossido sono cattivi conduttori, quindi ogni interfaccia aggiunge resistenza termica. Un foro mal lavorato o un accoppiamento a pressione irregolare possono intrappolare il calore, indipendentemente dalle dimensioni della camicia di raffreddamento.

L'alloggiamento comprende anche staffe di montaggio, interfacce dello schermo terminale, sporgenze del sensore e guarnizioni. Le funzionalità di raffreddamento devono coesistere tra loro, motivo per cui il raffreddamento dell'alloggiamento è inseparabile dalla produzione dell'alloggiamento: ogni canale, aletta e porta deve essere formato, lavorato e sottoposto a test di tenuta in produzione, non solo disegnato in CAD.

All'interno di un alloggiamento rivestito: camicie d'acqua e canali di raffreddamento

La maggior parte dei motori di trazione elettrici di produzione si raffredda indirettamente: una miscela di acqua e glicole circola attraverso una camicia integrata nella parete dell'alloggiamento.

Il liquido refrigerante entra attraverso le porte nell'alloggiamento, viaggia lungo i canali che avvolgono lo statore ed esce verso il radiatore. I canali assiali corrono paralleli all'albero e sono più semplici da lavorare, mentre i canali a spirale avvolgono il foro per uniformare il profilo termico circonferenziale. La ricerca pubblicata sugli alloggiamenti a doppio canale mostra che i due circuiti possono essere combinati, quindi un circuito dà priorità alla zona più calda vicino alla sporgenza dell'avvolgimento mentre un secondo trasporta il carico di base.

Routing assiale o a spirale nella pratica

Per un fornitore di alloggi, la giacca decide il percorso del processo. Gli alloggiamenti in fusione di alluminio formano canali durante la fusione; gli alloggiamenti fabbricati e lavorati li costruiscono da tasche lavorate, coperchi e porte saldate. In ogni caso, ogni camicia diventa un piccolo recipiente a pressione che deve superare i test di prova senza versare glicole nel gruppo di laminazione. I motori di potenza inferiore presenti nello stesso veicolo, come gli azionamenti di ventilatori e pompe, si affidano ancora al raffreddamento ad aria attraverso alloggiamenti alettati o ventilati, il che mantiene richieste anche caratteristiche dell’alloggiamento che favoriscono il flusso d’aria.

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Come il raffreddamento diretto dell'olio cambia i requisiti di raffreddamento dell'alloggiamento del motore dei veicoli elettrici

Il raffreddamento diretto dell'olio sposta il refrigerante sugli avvolgimenti e sul rotore, ma non rimuove l'alloggiamento dal percorso termico.

Nelle unità di azionamento raffreddate ad olio, il fluido dielettrico viene spruzzato o inondato sugli avvolgimenti terminali e sulle superfici del rotore, catturando il calore dove viene generato. L'olio passa poi attraverso uno scambiatore di calore, dove un circuito acqua-glicole assorbe l'energia e la trasporta al radiatore. L'alloggiamento ospita ancora il circuito secondario, sigilla ancora l'olio all'interno della camera del motore e imposta ancora il percorso di conduzione dal nucleo dello statore verso l'esterno.

Per gli acquirenti questo sposta l'elenco delle specifiche. I giunti e le guarnizioni dell'alloggiamento devono trattenere l'olio alla temperatura di esercizio, i materiali e i rivestimenti devono tollerare una lunga esposizione ai fluidi di trasmissione e la qualità della lavorazione dei fori è ancora più importante del solito, poiché il raffreddamento dell'olio bypassa solo parte del percorso termico. Con gli statori a filo piatto che spingono verso l'alto il riempimento delle cave e le perdite, molti nuovi programmi gestiscono entrambi i sistemi contemporaneamente: olio alla fonte, rivestimento nella parete dell'alloggiamento.

Decisioni sui materiali e sullo spessore delle pareti nel raffreddamento dell'alloggiamento dei motori dei veicoli elettrici

La scelta del materiale determina la conduttività termica dell'alloggiamento e lo spessore della parete determina quanto spazio rimane per i canali, quindi i due devono essere scelti insieme.

L'alluminio pressofuso rimane l'impostazione predefinita per gli alloggiamenti di trazione ad alto volume perché conduce il calore molte volte meglio dell'acciaio e realizza rivestimenti complessi in modo economico. Gli alloggiamenti in acciaio e inossidabile guadagnano il loro posto dove dominano robustezza, stabilità dimensionale, resistenza alla corrosione o volumi di serie moderati. La penalità di conduttività è reale ma gestibile, perché in un design incamiciato il film di convezione sull'interfaccia del refrigerante e la resistenza di contatto sullo statore spesso contribuiscono con la stessa resistenza della conduzione attraverso la parete stessa.

Compensazione della conduttività inferiore con la geometria

Quando un programma specifica l'acciaio o l'acciaio inossidabile 304, ad esempio laddove la chimica del refrigerante, l'esposizione al lavaggio o la lunga durata rendono decisiva la resistenza alla corrosione, i progettisti compensano con la geometria anziché accettare la perdita:

• Pareti più sottili tra il foro dell'alloggiamento e il fondo del canale, entro i limiti di pressione
• Maggiore area di contatto del canale grazie al percorso a spirale o ad un secondo circuito
• Interferenza di adattamento controllata in modo che la pila di laminazione si inserisca con un contatto uniforme
• Composti di interfaccia termicamente conduttivi su ogni giunzione metallo-metallo

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Lo spessore della parete tira nella direzione opposta. Gli alloggiamenti dei tubi in acciaio a parete pesante lasciano materiale generoso per canali profondi e pressioni di prova elevate, che si adattano alle trasmissioni dei veicoli elettrici industriali e ai cicli di lavoro fuoristrada, ma ogni millimetro in più di parete aggiunge resistenza di conduzione. Il fondo del canale dovrebbe trovarsi il più vicino possibile al foro, per quanto la resistenza lo consenta.

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Per uno sguardo più approfondito ai design resistenti alla corrosione, vedere il nostro guida dell'alloggiamento del motore in acciaio inossidabile .

Cosa dovrebbero verificare gli acquirenti prima di ordinare un alloggiamento raffreddato

Le prestazioni di raffreddamento vengono decise sul disegno molto prima che il primo chip venga tagliato, quindi gli acquirenti dovrebbero concordare con il fornitore un breve elenco di specifiche misurabili.

Quindi chiedi prove piuttosto che garanzie. Un produttore di alloggi capace dovrebbe fornire quattro cose senza esitazione:

1. Certificati dei materiali e rapporti sullo spessore del rivestimento
2. Registri dei test di tenuta delle giacche, legati ai numeri di serie dell'unità
3. I rapporti CMM riguardano il diametro del foro, la rotondità e lo spessore del fondo del canale
4. Ispezione del primo articolo allineata ai dati di adattamento effettivi del tuo statore

È qui che un produttore integrato si guadagna da vivere. Jiangsu Yufeng Electric Co., Ltd. ha dedicato quattro decenni alla produzione di alloggiamenti per motori in acciaio, acciaio inossidabile, a pareti spesse e tubi d'acciaio, con stampaggio, saldatura, lavorazione meccanica e trattamento superficiale sotto lo stesso tetto, un team di ingegneri con una media di oltre 20 anni di esperienza e una capacità annua superiore a cinque milioni di unità. Per i programmi che necessitano di alloggiamenti raffreddati sviluppati insieme al motore, tale integrazione verticale riduce il ciclo tra una modifica di progettazione e un campione sottoposto a prova di tenuta.

Alloggiamenti motore raffreddati: domande frequenti

Un alloggiamento in acciaio o inossidabile può raffreddare un motore EV così come l'alluminio?

Sì, quando il design del raffreddamento compensa. L'acciaio conduce circa un terzo dell'alluminio, quindi gli alloggiamenti in acciaio si basano su pareti del canale più sottili, una maggiore area del canale e accoppiamenti a pressione più stretti. Nei progetti con rivestimento, la convezione e la resistenza di contatto spesso prevalgono comunque, quindi un rivestimento in acciaio ben lavorato può eguagliare uno mediocre in alluminio.

Il raffreddamento diretto dell'olio rende obsoleta la camicia dell'alloggiamento?

No. Il raffreddamento dell'olio cattura il calore negli avvolgimenti e nel rotore, ma l'olio scarica comunque quel calore in un circuito acqua-glicole attraverso uno scambiatore di calore. La maggior parte dei programmi ad alta densità di potenza combinano entrambi i metodi: olio alla fonte, rivestimento nella parete dell'alloggiamento.

Quanto calore può rimuovere l'alloggiamento del motore di un veicolo elettrico con camicia d'acqua?

Dipende dalla portata del refrigerante, dall'area del canale e dalla qualità dell'interfaccia piuttosto che dal solo materiale dell'alloggiamento. I circuiti liquidi dissipano il calore fino a 50 volte più efficacemente dell'aria sulla stessa superficie, motivo per cui gli alloggiamenti incamiciati prevalgono al di sopra di pochi kilowatt di perdita continua.

Cosa devo inviare per primo a un fornitore di alloggi quando avvio un progetto di raffreddamento di veicoli elettrici?

Iniziare con il diametro esterno dello statore e la strategia di adattamento, i dati sulle perdite continue, il tipo e la portata del refrigerante, la caduta di pressione disponibile e i requisiti ambientali. Con questi numeri, un fornitore può proporre la disposizione del canale, lo spessore delle pareti e un piano di test prima di quotare.