Refrigeración de la carcasa del motor de vehículos eléctricos: una guía para el comprador sobre diseño, materiales y tolerancias

Un motor de tracción de 150 kW que entrega 142 kW en el eje vierte los 8 kilovatios restantes en forma de calor en una pila de estator más pequeña que una caja de zapatos. Los análisis de la industria atribuyen entre el 30 y el 40 por ciento de las fallas de los motores de imanes permanentes al aumento excesivo de la temperatura, y casi todo ese calor tiene que salir a través de un componente: la carcasa. Es por eso que la refrigeración de la carcasa del motor de los vehículos eléctricos ha pasado de ser un detalle de última etapa a una disciplina que decide si un motor alcanza su objetivo de densidad de potencia o se reduce en el banco de pruebas.

Esta guía recorre las arquitecturas de refrigeración que dirigen el calor a través de la vivienda, las compensaciones entre el material y el espesor de la pared detrás de ellas, y las especificaciones mensurables que un comprador debe fijar antes de entregar los dibujos a un proveedor de viviendas.

Por qué la refrigeración de la carcasa del motor de un vehículo eléctrico comienza en la propia carcasa

La carcasa es el disipador de calor individual más grande unido al estator, por lo que su geometría, espesor de pared y calidad de mecanizado establecen el límite de cuánto calor puede arrojar el motor.

El calor generado en los devanados de cobre y el rotor debe cruzar una cadena de interfaces antes de llegar al refrigerante: el aislamiento del devanado, la pila de laminación, el ajuste a presión entre la pila y el orificio de la carcasa, la pared de la carcasa y, finalmente, la superficie del canal. El barniz, el aire atrapado y las capas de óxido son malos conductores, por lo que cada interfaz añade resistencia térmica. Un orificio mal mecanizado o un ajuste a presión desigual pueden atrapar calor sin importar cuán generosamente esté dimensionada la camisa de enfriamiento.

La carcasa también lleva soportes de montaje, interfaces de escudo terminal, resaltes de sensor y sellos. Las funciones de refrigeración deben coexistir con todas ellas, por lo que la refrigeración de la carcasa es inseparable de la fabricación de la carcasa: cada canal, aleta y puerto debe formarse, mecanizarse y probarse contra fugas en producción, no solo dibujarse en CAD.

Dentro de una carcasa con camisa: camisas de agua y canales de enfriamiento

La mayoría de los motores de tracción para vehículos eléctricos de producción se enfrían indirectamente: una mezcla de agua y glicol circula a través de una camisa integrada en la pared de la carcasa.

El refrigerante ingresa a través de puertos en la carcasa, viaja a lo largo de canales que envuelven el estator y sale hacia el radiador. Los canales axiales corren paralelos al eje y son más sencillos de mecanizar, mientras que los canales espirales se envuelven alrededor del orificio para igualar el perfil de temperatura circunferencial. Las investigaciones publicadas sobre carcasas de doble canal muestran que los dos se pueden combinar, de modo que un circuito prioriza la zona más caliente cerca del saliente del devanado mientras que un segundo transporta la carga base.

Enrutamiento axial versus espiral en la práctica

Para un proveedor de viviendas, la chaqueta decide la ruta del proceso. Las carcasas de aluminio fundido forman canales durante la fundición; Las carcasas fabricadas y mecanizadas se construyen a partir de bolsillos mecanizados, cubiertas y puertos soldados. De cualquier manera, cada chaqueta se convierte en un pequeño recipiente a presión que debe pasar pruebas de prueba sin derramar glicol en la pila de laminación. Los motores de menor potencia en el mismo vehículo, como los motores de sopladores y bombas, aún dependen del enfriamiento por aire a través de carcasas con aletas o ventiladas, lo que también mantiene la demanda de características de carcasa que favorezcan el flujo de aire.

Carcasa del motor del ventilador Esta carcasa del motor del ventilador presenta una estructura diseñada con precisión con un diámetro interior de 130 mm, que ofrece un espesor de pared uniforme y dimensiones precisas, lo que proporciona una... Ver producto →

Cómo la refrigeración directa del aceite cambia los requisitos de refrigeración de la carcasa del motor de los vehículos eléctricos

El enfriamiento directo del aceite mueve el refrigerante hacia los devanados y el rotor, pero no elimina la carcasa del recorrido térmico.

En las unidades de propulsión enfriadas por aceite, el fluido dieléctrico se rocía o inunda sobre los devanados finales y las superficies del rotor, capturando el calor donde se genera. Luego, ese aceite pasa a través de un intercambiador de calor, donde un circuito de agua-glicol absorbe la energía y la transporta al radiador. La carcasa aún alberga ese circuito secundario, aún sella el aceite dentro de la cámara del motor y aún establece la ruta de conducción desde el núcleo del estator hacia afuera.

Para los compradores, esto cambia la lista de especificaciones. Las juntas y sellos de la carcasa deben mantener el aceite a la temperatura de funcionamiento, los materiales y revestimientos deben tolerar una exposición prolongada a los fluidos de la transmisión y la calidad del mecanizado del orificio es aún más importante de lo habitual, porque el enfriamiento del aceite evita solo una parte del recorrido térmico. Con estatores de alambre plano empujando hacia arriba el llenado de las ranuras y las pérdidas, muchos programas nuevos ejecutan ambos sistemas a la vez: el aceite en la fuente, una camisa en la pared de la carcasa.

Decisiones sobre materiales y espesores de pared en la refrigeración de carcasas de motores de vehículos eléctricos

La elección del material fija la conductividad térmica de la carcasa y el espesor de la pared decide cuánto espacio queda para los canales, por lo que los dos deben elegirse juntos.

El aluminio fundido sigue siendo el predeterminado para las carcasas de tracción de gran volumen porque conduce el calor varias veces mejor que el acero y moldea chaquetas complejas a bajo costo. Las carcasas de acero y acero inoxidable ganan su lugar donde dominan la solidez, la estabilidad dimensional, la resistencia a la corrosión o los volúmenes de serie moderados. La penalización de la conductividad es real pero manejable, porque en un diseño con camisa, la película de convección en la interfaz del refrigerante y la resistencia de contacto en el ajuste del estator a menudo aportan tanta resistencia como la conducción a través de la propia pared.

Compensar la menor conductividad con geometría

Cuando un programa especifica acero o acero inoxidable 304, por ejemplo cuando la química del refrigerante, la exposición al lavado o la larga vida útil hacen que la resistencia a la corrosión sea decisiva, los diseñadores compensan con geometría en lugar de aceptar la pérdida:

• Paredes más delgadas entre el orificio del alojamiento y el fondo del canal, dentro de los límites de presión
• Más área de contacto del canal mediante enrutamiento en espiral o un segundo circuito
• Interferencia controlada de ajuste a presión para que la pila de laminación se asiente con un contacto uniforme
• Compuestos de interfaz térmicamente conductores en cada unión metal con metal

Diámetro interior 180 Carcasa del motor 304SS Esta carcasa de motor de acero inoxidable presenta un diseño estructural reforzado con un diámetro interior de 180 mm, una altura de 320 mm y un espesor de pared de 3 mm. Está fabricado... Ver producto →

El espesor de la pared tira en la dirección opuesta. Las carcasas de tubos de acero de paredes pesadas dejan material generoso para canales profundos y altas presiones de prueba, lo que se adapta a las transmisiones industriales de vehículos eléctricos y a los ciclos de trabajo fuera de carretera, pero cada milímetro adicional de pared agrega resistencia a la conducción. El piso del canal debe asentarse tan cerca del orificio como lo permita la resistencia.

Carcasa del motor de pared gruesa de diámetro interior 127 Esta carcasa de motor está fabricada con precisión a partir de tubos de acero sin costura de alta calidad. Con un diámetro interior de 127 mm y un espesor de pared de 7,9 mm, ofrece precisión... Ver producto →

Para obtener una visión más profunda de los diseños resistentes a la corrosión, consulte nuestra guía de la carcasa del motor de acero inoxidable .

Lo que los compradores deben bloquear antes de pedir una vivienda refrigerada

El rendimiento de la refrigeración se decide en el dibujo mucho antes de que se corte el primer chip, por lo que los compradores deben congelar una breve lista de especificaciones mensurables con el proveedor.

Luego pida pruebas en lugar de garantías. Un fabricante de carcasas competente debería ofrecer cuatro cosas sin dudarlo:

1. Certificados de materiales e informes de espesor de recubrimiento.
2. Registros de pruebas de fugas para las chaquetas, vinculados a los números de serie de las unidades.
3. Informes CMM que cubren el diámetro del orificio, la redondez y el espesor del piso del canal.
4. Inspección del primer artículo alineada con los datos de ajuste reales de su estator.

Aquí es donde un fabricante integrado se gana la vida. Jiangsu Yufeng Electric Co., Ltd. ha pasado cuatro décadas produciendo carcasas de motores de acero, acero inoxidable, paredes gruesas y tubos de acero, con estampado, soldadura, mecanizado y tratamiento de superficies bajo un mismo techo, un equipo de ingeniería con un promedio de más de 20 años de experiencia y una capacidad anual de más de cinco millones de unidades. Para programas que necesitan carcasas refrigeradas desarrolladas junto con el motor, esa integración vertical acorta el ciclo entre un cambio de diseño y una muestra con prueba de fugas.

Carcasas de motor refrigeradas: preguntas frecuentes

¿Puede una carcasa de acero o acero inoxidable enfriar un motor de vehículo eléctrico tan bien como el aluminio?

Sí, cuando el diseño de refrigeración lo compensa. El acero conduce aproximadamente un tercio tan bien como el aluminio, por lo que las carcasas de acero dependen de paredes de canal más delgadas, más área de canal y ajustes a presión más ajustados. En los diseños con camisa, la convección y la resistencia al contacto a menudo dominan de todos modos, por lo que una camisa de acero bien mecanizada puede igualar a una mediocre de aluminio.

¿La refrigeración directa del aceite está haciendo obsoleta la cubierta de la carcasa?

No. El enfriamiento del aceite captura el calor en los devanados y el rotor, pero el aceite aún vierte ese calor en un circuito de agua y glicol a través de un intercambiador de calor. La mayoría de los programas de alta densidad de potencia combinan ambos métodos: petróleo en la fuente, una camisa en la pared de la carcasa.

¿Cuánto calor puede eliminar la carcasa de un motor EV con camisa de agua?

Depende del caudal de refrigerante, el área del canal y la calidad de la interfaz, más que del material de la carcasa únicamente. Los circuitos líquidos disipan el calor hasta 50 veces más eficazmente que el aire sobre la misma superficie, razón por la cual las carcasas encamisadas dominan por encima de unos pocos kilovatios de pérdida continua.

¿Qué debo enviar primero a un proveedor de viviendas al iniciar un proyecto de refrigeración para vehículos eléctricos?

Comience con el diámetro exterior del estator y la estrategia de ajuste, las cifras de pérdida continua, el tipo de refrigerante y el caudal, la caída de presión disponible y los requisitos ambientales. Con esos números, un proveedor puede proponer el diseño del canal, el espesor de la pared y un plan de prueba antes de cotizar.