Refroidissement du boîtier de moteur EV : guide de l'acheteur sur la conception, les matériaux et les tolérances

Un moteur de traction de 150 kW qui délivre 142 kW au niveau de l'arbre évacue les 8 kW restants sous forme de chaleur dans un stator plus petit qu'une boîte à chaussures. Les analyses industrielles attribuent 30 à 40 % des pannes de moteurs à aimants permanents à une augmentation excessive de la température, et la quasi-totalité de cette chaleur doit s'échapper par un seul composant : le boîtier. C'est pourquoi le refroidissement du boîtier du moteur EV est passé d'un détail avancé à une discipline qui décide si un moteur atteint son objectif de densité de puissance ou s'il déclasse sur le banc d'essai.

Ce guide présente les architectures de refroidissement qui acheminent la chaleur à travers le boîtier, les compromis en matière de matériaux et d'épaisseur de paroi, ainsi que les spécifications mesurables qu'un acheteur doit fixer avant de communiquer des dessins à un fournisseur de logements.

Pourquoi le refroidissement du boîtier du moteur EV commence au niveau du boîtier lui-même

Le boîtier est le plus grand dissipateur thermique fixé au stator, de sorte que sa géométrie, son épaisseur de paroi et sa qualité d'usinage fixent la quantité de chaleur que le moteur peut évacuer.

La chaleur générée dans les enroulements en cuivre et dans le rotor doit traverser une chaîne d'interfaces avant d'atteindre le liquide de refroidissement : l'isolation du bobinage, la pile de tôles, l'ajustement serré entre la pile et l'alésage du boîtier, la paroi du boîtier et enfin la surface du canal. Le vernis, l'air emprisonné et les couches d'oxyde sont de mauvais conducteurs, donc chaque interface ajoute une résistance thermique. Un alésage mal usiné ou un ajustement inégal peut emprisonner la chaleur, quelle que soit la générosité de la chemise de refroidissement.

Le boîtier comporte également des supports de montage, des interfaces de flasque, des bossages de capteur et des joints. Les fonctions de refroidissement doivent coexister avec chacune d'elles, c'est pourquoi le refroidissement du boîtier est indissociable de la fabrication du boîtier : chaque canal, ailette et port doit être formé, usiné et testé contre les fuites en production, et pas seulement dessiné en CAO.

À l'intérieur d'un boîtier gainé : chemises d'eau et canaux de refroidissement

La plupart des moteurs de traction des véhicules électriques de série refroidissent indirectement : un mélange eau-glycol circule à travers une enveloppe intégrée dans la paroi du boîtier.

Le liquide de refroidissement entre par les ports du boîtier, circule le long des canaux qui enveloppent le stator et sort vers le radiateur. Les canaux axiaux sont parallèles à l'arbre et sont plus simples à usiner, tandis que les canaux en spirale s'enroulent autour de l'alésage pour égaliser le profil de température circonférentiel. Des recherches publiées sur les boîtiers à double canal montrent que les deux peuvent être combinés, de sorte qu'un circuit donne la priorité à la zone la plus chaude proche du surplomb de l'enroulement tandis qu'un second supporte la charge de base.

Routage axial ou spiralé en pratique

Pour un fournisseur de logements, la veste détermine le parcours du processus. Les boîtiers en aluminium moulé forment des canaux lors de la coulée ; les boîtiers fabriqués et usinés les construisent à partir de poches usinées, de couvercles et de ports soudés. Quoi qu'il en soit, chaque enveloppe devient un petit récipient sous pression qui doit passer des tests de résistance sans que du glycol ne s'infiltre dans la pile de stratification. Les moteurs de faible puissance dans le même véhicule, tels que les entraînements de ventilateurs et de pompes, dépendent toujours du refroidissement par air à travers des boîtiers à ailettes ou ventilés, ce qui maintient également la demande en matière de fonctionnalités de boîtier favorisant la circulation de l'air.

Boîtier du moteur du ventilateur Ce boîtier de moteur de ventilateur présente une structure de précision avec un diamètre intérieur de 130 mm, offrant une épaisseur de paroi uniforme et des dimensions précises, offrant un s... Voir le produit →

Comment le refroidissement direct de l’huile modifie les exigences de refroidissement du boîtier du moteur EV

Le refroidissement direct de l'huile déplace le liquide de refroidissement vers les enroulements et le rotor, mais il ne retire pas le boîtier du chemin thermique.

Dans les unités d'entraînement refroidies à l'huile, du fluide diélectrique est pulvérisé ou inondé sur les enroulements d'extrémité et les surfaces du rotor, capturant la chaleur là où elle est générée. Cette huile passe ensuite par un échangeur de chaleur, où un circuit eau-glycol absorbe l’énergie et l’achemine vers le radiateur. Le boîtier héberge toujours ce circuit secondaire, scelle toujours l'huile à l'intérieur de la chambre du moteur et définit toujours le chemin de conduction du noyau du stator vers l'extérieur.

Pour les acheteurs, cela modifie la liste des spécifications. Les joints et joints du boîtier doivent retenir l'huile à la température de fonctionnement, les matériaux et les revêtements doivent tolérer une longue exposition aux liquides de transmission et la qualité de l'usinage des alésages est encore plus importante que d'habitude, car le refroidissement de l'huile ne contourne qu'une partie du chemin thermique. Avec des stators à fil plat poussant le remplissage des fentes et les pertes vers le haut, de nombreux nouveaux programmes font fonctionner les deux systèmes en même temps : de l'huile à la source, une enveloppe dans la paroi du boîtier.

Décisions en matière de matériaux et d'épaisseur de paroi dans le refroidissement du boîtier de moteur EV

Le choix du matériau détermine la conductivité thermique du boîtier et l'épaisseur de la paroi détermine l'espace laissé aux canaux. Les deux doivent donc être choisis ensemble.

L'aluminium moulé sous pression reste la valeur par défaut pour les boîtiers de traction à grand volume, car il conduit la chaleur plusieurs fois mieux que l'acier et permet de couler des enveloppes complexes à moindre coût. Les boîtiers en acier et en acier inoxydable gagnent leur place là où dominent la solidité, la stabilité dimensionnelle, la résistance à la corrosion ou les volumes de série modérés. La pénalité de conductivité est réelle mais gérable, car dans une conception à chemise, le film de convection à l'interface du liquide de refroidissement et la résistance de contact au niveau de l'ajustement du stator contribuent souvent autant de résistance que la conduction à travers la paroi elle-même.

Compenser la conductivité inférieure avec la géométrie

Lorsqu'un programme spécifie de l'acier ou de l'acier inoxydable 304, par exemple lorsque la chimie du liquide de refroidissement, l'exposition au lavage ou la longue durée de vie rendent la résistance à la corrosion décisive, les concepteurs compensent par la géométrie plutôt que d'accepter la perte :

• Parois plus fines entre l'alésage du boîtier et le fond du canal, dans les limites de pression
• Plus de surface de contact des canaux grâce au routage en spirale ou à un deuxième circuit
• Interférence contrôlée lors de l'ajustement par pression afin que la pile de stratification s'installe avec un contact uniforme
• Composés d'interface thermoconducteurs à chaque joint métal sur métal

Boîtier de moteur 304SS de diamètre intérieur 180 Ce boîtier moteur en acier inoxydable présente une conception structurelle renforcée avec un diamètre intérieur de 180 mm, une hauteur de 320 mm et une épaisseur de paroi de 3 mm. Il est fabriqué... Voir le produit →

L’épaisseur de la paroi tire dans la direction opposée. Les boîtiers en tubes d'acier à paroi épaisse laissent un matériau généreux pour les canaux profonds et les pressions d'épreuve élevées, ce qui convient aux transmissions industrielles de véhicules électriques et aux cycles de service hors route, mais chaque millimètre supplémentaire de paroi ajoute une résistance à la conduction. Le fond du canal doit être placé aussi près de l'alésage que la résistance le permet.

Boîtier de moteur à paroi épaisse de diamètre intérieur 127 Ce carter de moteur est fabriqué avec précision à partir de tubes en acier sans soudure de haute qualité. Avec un diamètre intérieur de 127 mm et une épaisseur de paroi de 7,9 mm, il offre à la fois une précision... Voir le produit →

Pour un examen plus approfondi des conceptions résistantes à la corrosion, consultez notre guide de carter de moteur en acier inoxydable .

Ce que les acheteurs devraient vérifier avant de commander un boîtier réfrigéré

Les performances de refroidissement sont décidées sur le dessin bien avant que le premier copeau ne soit découpé, les acheteurs doivent donc congeler une courte liste de spécifications mesurables avec le fournisseur.

Demandez ensuite des preuves plutôt que des assurances. Un fabricant de logements compétent devrait remettre quatre choses sans hésitation :

1. Certificats de matériaux et rapports d'épaisseur de revêtement
2. Dossiers de test d'étanchéité pour les vestes, liés aux numéros de série de l'unité
3. Rapports MMT couvrant le diamètre d'alésage, la rondeur et l'épaisseur du fond du canal
4. Inspection du premier article alignée sur les données d'ajustement réelles de votre stator

C’est là qu’un fabricant intégré gagne sa place. Jiangsu Yufeng Electric Co., Ltd. a passé quatre décennies à produire des carters de moteur en acier, en acier inoxydable, à parois épaisses et en tubes d'acier, avec emboutissage, soudage, usinage et traitement de surface sous un même toit, une équipe d'ingénieurs ayant en moyenne plus de 20 ans d'expérience et une capacité annuelle supérieure à cinq millions d'unités. Pour les programmes nécessitant des boîtiers refroidis développés parallèlement au moteur, cette intégration verticale raccourcit la boucle entre une modification de conception et un échantillon testé contre les fuites.

Carters de moteur refroidis : questions fréquemment posées

Un boîtier en acier ou en acier inoxydable peut-il refroidir un moteur EV aussi bien que l'aluminium ?

Oui, lorsque la conception du refroidissement compense. L'acier est conducteur environ un tiers aussi bien que l'aluminium, de sorte que les boîtiers en acier reposent sur des parois de canal plus fines, une plus grande surface de canal et des ajustements serrés. Dans les conceptions à gaine, la convection et la résistance de contact dominent souvent de toute façon, de sorte qu'une gaine en acier bien usinée peut correspondre à une gaine en aluminium médiocre.

Le refroidissement direct de l'huile rend-il la chemise du boîtier obsolète ?

Le refroidissement de l'huile capte la chaleur au niveau des enroulements et du rotor, mais l'huile évacue toujours cette chaleur dans un circuit eau-glycol via un échangeur de chaleur. La plupart des programmes à haute densité de puissance combinent les deux méthodes : du pétrole à la source, une enveloppe dans le mur du boîtier.

Quelle quantité de chaleur un carter de moteur EV à chemise d’eau peut-il éliminer ?

Cela dépend du débit du liquide de refroidissement, de la surface du canal et de la qualité de l'interface plutôt que du seul matériau du boîtier. Les circuits liquides dissipent la chaleur jusqu'à 50 fois plus efficacement que l'air sur la même surface, c'est pourquoi les boîtiers chemisés dominent au-delà de quelques kilowatts de perte continue.

Que dois-je envoyer en premier à un fournisseur de logements lorsque je démarre un projet de refroidissement de VE ?

Commencez par le diamètre extérieur du stator et la stratégie d'ajustement, les chiffres de perte continue, le type et le débit du liquide de refroidissement, la chute de pression disponible et les exigences environnementales. Avec ces chiffres, un fournisseur peut proposer la disposition des canaux, l'épaisseur de la paroi et un plan de test avant de proposer un devis.