Chłodzenie obudowy silnika EV: przewodnik dla kupujących dotyczący projektu, materiałów i tolerancji

Silnik trakcyjny o mocy 150 kW, który dostarcza 142 kW na wał, odprowadza pozostałe 8 kW w postaci ciepła do stosu stojana mniejszego niż pudełko na buty. Analizy branżowe przypisują 30 do 40 procent awarii silników z magnesami trwałymi nadmiernemu wzrostowi temperatury, a prawie całe to ciepło musi opuścić jeden element: obudowę. Właśnie dlatego chłodzenie obudowy silnika EV przeszło od szczegółów na późnym etapie do dyscypliny, która decyduje, czy silnik osiągnie docelową gęstość mocy, czy też zmniejszy wartość znamionową na stanowisku testowym.

W tym przewodniku omówiono architektury chłodzenia, które odprowadzają ciepło przez obudowę, związane z nimi kompromisy w zakresie materiału i grubości ścianek, a także mierzalne specyfikacje, które kupujący powinien ustalić przed udostępnieniem rysunków dostawcy obudowy.

Dlaczego chłodzenie obudowy silnika EV zaczyna się od samej obudowy

Obudowa jest największym pojedynczym radiatorem przymocowanym do stojana, więc jej geometria, grubość ścianek i jakość obróbki decydują o tym, ile ciepła może oddać silnik.

Ciepło wytwarzane w miedzianych uzwojeniach i wirniku musi przejść przez łańcuch interfejsów, zanim dotrze do chłodziwa: izolacja uzwojenia, stos laminacji, pasowanie wtłaczane między stosem a otworem obudowy, ściana obudowy i wreszcie powierzchnia kanału. Warstwy lakieru, uwięzionego powietrza i tlenków są słabymi przewodnikami, dlatego każdy interfejs zwiększa opór cieplny. Źle obrobiony otwór lub nierówne pasowanie wtłaczane mogą zatrzymać ciepło, niezależnie od wielkości płaszcza chłodzącego.

Obudowa zawiera również wsporniki montażowe, złącza osłon końcowych, występy czujników i uszczelki. Funkcje chłodzenia muszą ze sobą współistnieć, dlatego też chłodzenie obudowy jest nierozerwalnie związane z produkcją obudowy: każdy kanał, żebro i port muszą zostać uformowane, obrobione i przetestowane pod kątem szczelności w trakcie produkcji, a nie tylko narysowane w programie CAD.

Wewnątrz obudowy z płaszczem: płaszcze wodne i kanały chłodzące

Większość produkowanych silników trakcyjnych EV chłodzi się pośrednio: mieszanina wody i glikolu przepływa przez płaszcz zintegrowany ze ścianką obudowy.

Płyn chłodzący wpływa przez otwory w obudowie, przemieszcza się wzdłuż kanałów otaczających stojan i wychodzi w kierunku chłodnicy. Kanały osiowe biegną równolegle do wału i są prostsze w obróbce, podczas gdy kanały spiralne owijają się wokół otworu, aby wyrównać obwodowy profil temperatury. Opublikowane badania dotyczące obudów dwukanałowych pokazują, że można je połączyć, więc jeden obwód priorytetowo traktuje najgorętszą strefę w pobliżu zwisu uzwojenia, podczas gdy drugi obsługuje obciążenie podstawowe.

Prowadzenie osiowe a spiralne w praktyce

W przypadku dostawcy mieszkań płaszcz decyduje o trasie procesu. Obudowy z odlewu aluminiowego tworzą kanały podczas odlewania; wykonane i obrobione maszynowo obudowy składają się z obrobionych maszynowo kieszeni, pokryw i spawanych portów. Tak czy inaczej, każdy płaszcz staje się małym zbiornikiem ciśnieniowym, który musi przejść testy sprawdzające bez przedostawania się glikolu do stosu laminacji. Silniki o niższej mocy w tym samym pojeździe, takie jak napędy dmuchawy i pompy, w dalszym ciągu opierają się na chłodzeniu powietrzem w żebrowanych lub wentylowanych obudowach, co sprawia, że ​​istnieje również zapotrzebowanie na obudowy sprzyjające przepływowi powietrza.

Obudowa silnika wentylatora Ta obudowa silnika wentylatora ma precyzyjnie zaprojektowaną konstrukcję o średnicy wewnętrznej 130 mm, oferującą jednakową grubość ścianek i precyzyjne wymiary, zapewniając ... Zobacz produkt →

Jak bezpośrednie chłodzenie oleju zmienia wymagania dotyczące chłodzenia obudowy silnika EV

Bezpośrednie chłodzenie oleju przesuwa chłodziwo na uzwojenia i wirnik, nie usuwając jednak obudowy ze ścieżki termicznej.

W jednostkach napędowych chłodzonych olejem płyn dielektryczny jest natryskiwany lub zalewany na uzwojeniach końcowych i powierzchniach wirnika, wychwytując ciepło w miejscu jego wytwarzania. Olej ten przechodzi następnie przez wymiennik ciepła, gdzie obieg woda-glikol pochłania energię i przenosi ją do chłodnicy. Obudowa nadal mieści obwód wtórny, nadal uszczelnia olej w komorze silnika i nadal wyznacza ścieżkę przewodzenia od rdzenia stojana na zewnątrz.

Dla kupujących zmienia to listę specyfikacji. Połączenia obudowy i uszczelnienia muszą utrzymywać olej w temperaturze roboczej, materiały i powłoki muszą tolerować długi kontakt z płynami przekładniowymi, a jakość obróbki otworów ma jeszcze większe znaczenie niż zwykle, ponieważ chłodzenie oleju omija tylko część ścieżki termicznej. W przypadku stojanów z drutem płaskim, które zwiększają wypełnienie szczeliny i straty, wiele nowych programów obsługuje oba systemy jednocześnie: olej u źródła, płaszcz w ściance obudowy.

Decyzje dotyczące materiału i grubości ścianki w chłodzeniu obudowy silnika EV

Wybór materiału decyduje o przewodności cieplnej obudowy, a grubość ścianki decyduje o tym, ile miejsca pozostanie na kanały, dlatego należy wybrać te dwa elementy łącznie.

Odlewany ciśnieniowo aluminium pozostaje rozwiązaniem domyślnym w przypadku dużych obudów trakcyjnych, ponieważ przewodzi ciepło kilka razy lepiej niż stal i taniej jest odlewać złożone płaszcze. Obudowy ze stali i stali nierdzewnej sprawdzają się tam, gdzie dominuje wytrzymałość, stabilność wymiarowa, odporność na korozję lub umiarkowane wielkości serii. Zmniejszenie przewodności jest realne, ale możliwe do kontrolowania, ponieważ w konstrukcji z płaszczem warstwa konwekcyjna na powierzchni styku chłodziwa i rezystancja styku na pasowaniu stojana często powodują taki sam opór, jak przewodzenie przez samą ścianę.

Kompensacja niższej przewodności za pomocą geometrii

Kiedy w programie określono stal lub stal nierdzewną 304, na przykład gdy skład chłodziwa, wystawienie na zmywanie lub długa żywotność decydują o odporności na korozję, projektanci kompensują geometrią, zamiast akceptować straty:

• Cieńsze ścianki pomiędzy otworem obudowy a dnem kanału, w granicach ciśnienia
• Większa powierzchnia styku kanału poprzez prowadzenie spiralne lub drugi obwód
• Kontrolowane wciskanie, dzięki czemu laminowane elementy układają się w jednolity sposób
• Termoprzewodzące związki pośrednie na każdym połączeniu metal-metal

Obudowa silnika o średnicy wewnętrznej 180 304SS Ta obudowa silnika ze stali nierdzewnej ma wzmocnioną konstrukcję o wewnętrznej średnicy 180 mm, wysokości 320 mm i grubości ścianki 3 mm. Jest produkowany... Zobacz produkt →

Grubość ścianki ciągnie się w przeciwnym kierunku. Obudowy z rur stalowych o grubych ściankach pozostawiają dużo materiału na głębokie kanały i wysokie ciśnienia robocze, co pasuje do przemysłowych układów napędowych pojazdów elektrycznych i cykli pracy poza drogami, a jednak każdy dodatkowy milimetr ścianki zwiększa opór przewodzenia. Dno kanału powinno znajdować się tak blisko otworu, jak pozwala na to siła.

Obudowa silnika o grubych ściankach, średnica wewnętrzna 127 Obudowa silnika jest precyzyjnie wykonana z wysokiej jakości rur stalowych bez szwu. Dzięki wewnętrznej średnicy 127 mm i grubości ścianki 7,9 mm zapewnia zarówno precyzję... Zobacz produkt →

Więcej informacji na temat konstrukcji odpornych na korozję można znaleźć w naszym artykule prowadnica obudowy silnika ze stali nierdzewnej .

Co kupujący powinni zablokować przed zamówieniem chłodzonej obudowy

Wydajność chłodzenia jest ustalana na rysunku na długo przed wycięciem pierwszego chipa, dlatego kupujący powinni zamrozić z dostawcą krótką listę mierzalnych specyfikacji.

Następnie poproś o dowody, a nie zapewnienia. Sprawny producent obudów powinien bez wahania oddać cztery rzeczy:

1. Atesty materiałowe i protokoły grubości powłok
2. Zapisy testów szczelności kurtek powiązane z numerami seryjnymi urządzenia
3. Raporty CMM obejmujące średnicę otworu, okrągłość i grubość dna kanału
4. Kontrola pierwszego artykułu dostosowana do rzeczywistych danych dopasowania stojana

Na tym zarabia zintegrowany producent. Jiangsu Yufeng Electric Co., Ltd. spędziła czterdzieści lat na produkcji obudów silników ze stali, stali nierdzewnej, grubościennych i rur stalowych, obejmujących tłoczenie, spawanie, obróbkę skrawaniem i obróbkę powierzchni pod jednym dachem, zespół inżynierów posiadający średnio ponad 20-letnie doświadczenie i roczną wydajność przekraczającą pięć milionów jednostek. W przypadku programów, które wymagają chłodzonych obudów opracowanych obok silnika, pionowa integracja skraca pętlę między zmianą projektu a próbką sprawdzoną pod kątem szczelności.

Chłodzone obudowy silników: często zadawane pytania

Czy obudowa ze stali lub stali nierdzewnej może chłodzić silnik EV równie dobrze jak aluminium?

Tak, gdy konstrukcja chłodzenia to kompensuje. Stal przewodzi mniej więcej jedną trzecią tak dobrze jak aluminium, dlatego w obudowach stalowych stosuje się cieńsze ścianki kanałów, większą powierzchnię kanałów i ściślejsze pasowania wtłaczane. W konstrukcjach z płaszczem i tak często dominuje konwekcja i opór stykowy, więc dobrze obrobiony płaszcz stalowy może dorównać przeciętnemu płaszczowi aluminiowemu.

Czy bezpośrednie chłodzenie oleju sprawia, że ​​płaszcz obudowy staje się przestarzały?

Nie. Chłodzenie oleju wychwytuje ciepło z uzwojeń i wirnika, ale olej nadal odprowadza to ciepło do obiegu woda-glikol poprzez wymiennik ciepła. Większość programów o dużej gęstości mocy łączy obie metody: olej u źródła, płaszcz w ścianie obudowy.

Ile ciepła może usunąć obudowa silnika elektrycznego z płaszczem wodnym?

Zależy to od natężenia przepływu chłodziwa, powierzchni kanału i jakości złącza, a nie samego materiału obudowy. Obwody cieczy rozpraszają ciepło do 50 razy skuteczniej niż powietrze na tej samej powierzchni, dlatego też obudowy z płaszczem dominują powyżej kilku kilowatów ciągłych strat.

Co powinienem najpierw wysłać dostawcy obudowy, rozpoczynając projekt chłodzenia pojazdów elektrycznych?

Zacznij od średnicy zewnętrznej stojana i strategii pasowania, wartości strat ciągłych, rodzaju chłodziwa i natężenia przepływu, dostępnego spadku ciśnienia i wymagań środowiskowych. Mając te liczby, dostawca może zaproponować układ kanałów, grubość ścianek i plan testów przed wyceną.