Ahogyan korábban ismertettük, a motor és a motorvezérlő is vízhűtéssel működik, vagy hát pontosabban folyadékhűtéssel, mert a víz önmagában kellően rossz hatással van a hűtőrendszerre a téli hidegben. Na de normális egy több mint 100V-os rendszert vízzel hűteni? Nem vezeti az az áramot?

De vezeti, azonban ahogy egy belsőégésű motornál sem az égéstérben kering a hűtőfolyadék, úgy egy villanymotorban sem az árammal átjárt vezetők között pumpáljuk át a hűtőközeget, hanem egy erre kialakított üregen keresztül. Ezek többnyire alumíniumtömbben kígyózó járatok, mint ahogyan azt az alábbi kép is mutatja.

Forrás: evWest.com

Na de miért is van szükség folyadékhűtésre? A háztartásunkban csomó villanymotor van, például porszívóban, robotgépekben, ütvefúróban, kerti szivattyúban, de egyik sem vízhűtéses. A kulcs a veszteségként létrejövő hőteljesítmény, ami pár száz wattos vagy egy-két kilowattos motornál egyáltalán nem jelent gondot. Emlékezzünk csak, hogy pár évtizede még fellelhetőek voltak alacsony teljesítményű léghűtéses benzinmotorok az autókban is, nem is beszélve, hogy sok motorban és robogóban mai napig ezt használják.

Villanymotorok veszteségei

Szóval a hőteljesítmény a mumus, ami villanymotorok esetében két dologból származik: súrlódás és az ellenállás. Az állandó mágneses szinkron motorokban, mint amilyen a miénk is, nincsenek kefék vagy csúszógyűrűk, így csak és kizárólag a tengely csapágyazásánál jelentkezik súrlódás, ez azonban elenyésző mértékű. A villanymotorok esetében a fő veszteséget az elektromos és mágneses ellenállások adják. A villanymotor tekercseiben folyó áram a rézvezetékeken ugyanúgy termeli a hőt ohmos ellenállása miatt mint egy merülőforraló vagy Hajdu bojler, ezt hívják rézveszteségnek. Ennek párja a vasveszteség, mely a változó mágneses tér hatására keletkezik. Örvényáramok jönnek létre a vasmagban, emellett az anyagoknak van hiszterézis veszteségük is, ami a fel- és lemágnesezés hatására jön létre.

Az állandó mágneses szinkron motorokban a forgórészen nincsenek tekercsek, így csak az állórésznek van rézvesztesége, továbbá a forgórész mágneses mezeje közel állandó, így a vasveszteség is elhanyagolható mértékű. Mivel a forgórész veszteségei minimálisak, ez a motortípus kialakításából fakadóan jellemzően jobb hatásfokkal rendelkezik mint aszinkron társai.

A keletkező hőteljesítmény egyes komponenseit a motor felépítését ismerve ki tudjuk számolni nem túl bonyolult képletekkel, de ez minket kevésbé izgat mint a motor tervezőit. Nekünk csak azt kell tudnunk, hogy mekkora a motor teljes hőteljesítménye. Az a teljesítmény ami nem a tengely forgatására megy el, mind hőveszteség. Mivel tudjuk a motor hatásfokát, így ezt könnyen ki tudjuk számolni.

Forrás: emrax.com

Ahogy a belsőégésű motorokra, úgy a villanymotorokra is meg lehet határozni egy kagylódiagramot, és láthatjuk, hogy elég nagy tartományban 90% feletti a hatásfok. Például 2000-es fordulatszámnál, 150Nm-rel terhelve a motort, a hatásfok 95%. Ebben a munkapontban a tengelyteljesítmény 31kW, azaz a hőveszteség 2,3kW, ami nagyjából két teljes fokozaton menő elektromos főzőlapnak felel meg, csak mi nem ezen szeretnénk a vasárnapi ebédet elkészíteni. Egy darabig lehet hűtőbordákkal teleaggatni a motort és ventillátorokat irányítani rá, de ha állandó nagy terhelésen is akarjuk biztonságosan üzemeltetni a motort, akkor muszáj egy jobb hűtőközeget alkalmaznunk. Jó dolog a nyári melegben egy ventilátor, de mindenki szívesebben ülne bele egy hűs medencébe, szimplán azért, mert egy kilogrammra vetítve a víz négyszer - a fagyálló víz/glikol keverék három és félszer - jobb hővezető, mint a levegő. Egy kilogramm levegő pedig nem kevés.

Motorvezérlő veszteségei

Ehhez jön még hozzá a motorvezérlőből származő hőveszteség. A laptopunk tápegysége is milyen forró (jobb esetben csak meleg) szokott lenni hűtés nélkül, pedig az 100W sincs, mi pedig ezerszer annyival játszunk. Két dologból tevődik össze ez a veszteség: a kapcsoló elemek (IGBT-k vagy MOSFET-ek) vezetési ellenállásából, illetve a kapcsolási veszteségből. Mivel a motorvezérlő hatásfoka is 90% feletti, így itt is hasonló mennyiségű veszteségekre számíthatunk.

Összehasonlítás

Ha az előbbiekhez hozzáadjuk az akkumulátor várt 5-10%-os veszteségét, akkor 30kW-os átlagos tengelyteljesítménnyel számolva az összes hőveszteségünk körülbelül 7kW, amit a legtöbb villanybojler megsüvegelne, szóval nem kevés. De érdemes megjegyezni, hogy a leghatékonyabb dízelmotor is csak 45% körüli hatásfokkal rendelkezik, ami 30kW-os átlagos hasznos teljesítmény mellett 36kW hőt jelent. Itt már egész nagy különbség ütközik ki a két hajtástípus között.

Hőmérsékleti hatások

A villanymotoroknak a belsőégésű társaikkal szemben nincs szükségük bemelegedésre, ugyanis nincs bennük motorolaj, aminek el kéne érni egy optimális hőmérsékletet a megfelelő kenés és viszkozitás biztosítása érdekében. Igazából minél hidegebb van, annál jobban érzi magát, egészen -20°C-ig. A megengedett maximális hőmérsékletet a mágnesek határozzák meg. Minden ferro- és ferrimágneses anyagnak van egy úgynevezett Curie-hűmérséklete, ami felett az anyag szerkezete átrendeződik és visszafordíthatatlanul elveszíti mágneses terét, paramágnessé alakul (olyan lesz mint egy darab alumínium). Ha ez bekövetkezik egy villanymotor életében, akkor az sajnos átlényegül egy nagyon drága papírnehezékké, szóval célszerű ezt elkerülni. A neodímium mágnesek Curie-pontja 300-400°C körül van, viszont ez az érték a teljes lemágnesezéshez tartozik, már nagyjából 150°C-nál tapasztalhatjuk a mágneses térerősség maradó csökkenését. Fontos észben tartani, hogy a mágnesek a forgórészen helyezkednek el, így közvetlenül nem tudjuk mérni a hőmérsékletüket (persze van érintés nélküli infrás hőmérő, csak nem túl költséghatékony), emiatt célszerű a gyártó által tanácsolt legalább 20°C-os biztonsági sávot tartani, így mi nem fogjuk 100°C fölé engedni a mért hőmérsékletet. A motor névleges teljesítményét 50°C-os belépő vízhőmérsékletre határozták meg, így ha ki akarjuk hozni a motorból a maximumot, akkor ezt nem léphetjük át.

A motorvezérlőt szintén nem szabad túlmelegíteni, mivel a hőmérséklettel arányosan nőnek a kapcsolóelemek, jelen esetben MOSFET-ek veszteségei. Ez azt jelenti, hogy minél melegebb van, annál több hőt termel, így méginkább melegíti magát, aminek hatására még több hőt bocsájt ki, és így tovább. Ezt a jelenséget hívják termikus megfutásnak. Ha ezt nem akadályozzuk meg az összteljesítmény - így a veszteségek - csökkentésével, akkor 150-200°C felett tönkre is mehetnek az alkatrészek. Nem mellesleg a magas hőmérséklet gyorsabban öregíti az áramkörökben fellelhető műanyagokat, szigetelő anyagokat, emiatt 70-80°C felé nem szabad engedni a motorvezérlő hőmérsékletét. Mivel itt sem tudjuk közvetlenül a félvezető lapka hőmérsékletét mérni a gyártó 65°C-ot határozott meg maximumnak. Ezen felül előírták, hogy az alumínium hűtőtömb hőmérséklete nem haladhatja meg az 50°C-ot. Ebből az is következik, hogy a motorvezérlőből kilépő hűtővíz hőmérséklete nem lesz nagyobb ennél a hőmérsékletnél. Mindezek mellett a gyártók meg szokták adni a hűtőközeg szükséges térfogatáramát, ami a motor esetében 7 liter/perc, a motorvezérlőnél 5 liter/perc. Mindkét alkatrész tömítései 2 bar-os nyomást tudnak elviselni, így ezt az értéket nem célszerű átlépni, ha nem akarjuk hogy idővel mindenfelé spricceljen a víz.

Számolás

Így már tudjuk a hűtéskör tervezéséhez szükséges paramétereket:

• Térfogatáram: 5 liter/perc
• Tömegáram: 0.086 kg/s
• Hűtőfolyadék fajhő: 3700 J/kgK
• Elvezetendő hőmennyiség: 2430 W + 2260 W
• Motorvezérlő
• Bemeneti hőmérséklet: -
• Kimeneti hőmérséklet: 50 °C
• Motor
• Bemeneti hőmérséklet: 50 °C
• Kimeneti hőmérséklet: -

Először azt kell kiszámolnunk, hogy mekkora a hőelvonó képessége az áramló közegünknek, amit a fajhő és a tömegáram szorzataként kapunk meg, ez pedig kb. 318 W/°C, azaz ha 1°C-kal nő a hűtőközeg hőmérséklete, akkor 318W hőt von el a rendszertől. Ennek segítségével kiszámolhatjuk, hogy a motorvezérlőben és a motorban keletkező 2430W és 2260W hőteljesítmény elvonásához mekkora hőmérséklet különbség szükséges, más szóval mekkorának kell lennie a bemeneti és kimeneti vízhőmérsékleteknek. A motorvezérlőbe beáramló víznek legfeljebb 42°C-osnak szabad lennie, míg a motorból 57°C-os víz fog kiáramolni. Mivel nem akarunk egy egész víztározót az autó után vontatni, érdemes lenne a motorból kifolyó forró vizet visszahűteni pisimelegre, hogy azt a motoron újból keresztül tudjuk áramoltatni. Erre szolgál a hőcserélő vagy más néven radiátor, ami úgy működik, hogy az egyik felén becsurog a forró víz, a másik felén pedig kicsurog a kevésbé forró víz, amit a radiátor lamellái között átáramló levegő hűtött le. Lényegében egy óriási hűtőborda. Na most álljunk csak meg egy percre. De hát akkor ez lényegében nem léghűtés? Miért is jó akkor nekünk, hogy itt bonyolítjuk a dolgot és vizet keringetünk körbe, amikor ígyis-úgyis levegő hűti le a rendszert? A válasz a következő: a levegő csak és kizárólag a felületet képes hűteni, magát az egység mélyén megbúvó hőforrást (pl.: motor belsejében a tekercseket) nem. Ezzel szemben a folyadékhűtést tetszőlegesen kialakított járatokon keresztül eljuttathatjuk a termikus gócpontokhoz, így sokkal egyenletesebb hőmérsékletet érhetünk el. A radiátor pedig a lamellák miatt óriási felülettel rendelkezik egy egyszerű hűtőbordához képest,ráadásul méretét szabadon választhatjuk meg, nincs megkötve a kezünk az eredeti alkatrész méretével. Tehát összességében jobb hűtési hatásfokot érünk el.

Ismerjük a radiátorba beömlő és kiömlő folyadék hőmérsékletét, illetve tudjuk, hogy a belépő levegő környezeti hőmérsékletű. Ki kéne számolni a szükséges levegő térfogatáramot, hogy ki tudjuk választani a megfelelő radiátorméretet. Ehhez az alábbi adatok kellenek:

• Környezeti hőmérséklet: 25 °C
• Levegő fajhő: 1010 J/kgK
• Levegő sűrűség: 1,17 kg/m3
• Hőteljesítmény: 4700 W
• Folyadék belépő hőmérséklete: 57 °C
• Radiátor hatásfok: 70%

Először meg kell határoznunk a radiátort elhagyó levegő hőmérsékletét, ami biztosan nem lehet nagyobb a folyadék hőmérsékleténél. Ahhoz hogy a hőtranszfer létrejöjjön, néhány fok különbségnek lennie kell, így azt mondtuk, legyen a kimeneti levegő 40°C-os, azaz a radiátoron 15°C-ot melegedik a levegő, 4700 W hőáram és 70%-os hatásfok esetén 447 W/°C-os hővezetésre van szükség. A fajhő és a sűrűség ismeretében ki tudjuk számolni, hogy ehhez nagyjából 0,35 m3/s levegő térfogatáram szükséges.

Viszont így még mindig maradt két paraméterünk: a radiátor területe és az átáramló levegő sebessége, ugyanis e kettő szorzata adja a térfogatáramot. A számolt 30 kW-os átlagteljesítmény nagyjából megfelel egy dinamikus városi használatnak, mivel az autót valószínűleg ehhez hasonló körülmények között fogjuk leginkább használni. Az átlagsebességet 35-40 km/h-ra becsültük, azaz nagyjából 10 m/s-nak, amihez 0,036 m2-es radiátor kellene, péládul egy 15x24 cm-es, vagy egy 10x36 cm-es. Ha ugyanezt végigszámolnánk az 54kW-os állandó maximális teljesítménnyel, akkor 0,8 m3/s-ra jön ki a szükséges térfogatáram. Az adott radiátormérettel ehhez 70 km/h fölötti sebesség szükséges. Volt elfekvőben egy 15x24 cm-es radiátorunk két 120mm-es PC-s ventilátorral felszerelve egy korábbi projekből, ami tökéletesen megfelel ezeknek a követelményeknek.

Ezeken felül kell még egy kiegyenlítő tartály, egy vízpumpa és persze csövek, amikkel összekötjük az egész rendszert. Mivel nincs sok vízre szükségünk a rendszerben, azaz nem számolunk nagy térfogatváltozásra, egy kismotor kiegyenlítő tartályát szereljük be az autóba. Sajnos nem használhatjuk az autó gyári vízpumpáját, mert az a motor szerves részét képezi, így kizárólag villany hajtotta szivattyú jöhetett szóba. A megbízhatóság és a nagy térfogatáram miatt eszünkbe sem jutott akvárium keringető pumpákat nézegetni, csak és kizárólag autóipari megoldásokat kerestünk. A pumpa kiválasztásánál gondot kellett fordítanunk a hűtőkör egyes elemeinek veszteségeire. Minden pumpának van egy karakterisztikája, ami megmondja, hogy az adott térfogatáramot mekkora nyomáskülönbség esetén biztosítja. Szóval hiába választunk egy 10 liter/perces pumpát, ha egyáltalán nem is tudja keresztülzavarni a folyadékot a rendszerben. Emiatt modelleznünk kellett a rendszerünket, és a benne keletkező nyomáseséseket. A motorvezérlő 5 liter/perces térfogatáram esetén 0,3 bar nyomásesést okoz a két kivezetése között, a motor pedig 7 liter/perc esetén 0,9 bar-t, ezek az értékek szerencsére benne voltak az egységek adatlapjaiban, így külön mérést nem kellett végeznünk. Egy hasonló hőcserélőhöz találtunk mérési eredményeket, ennek a pontossága nekünk most elégséges lesz, mert csak 0,05 bar-ra számíthatunk 3 liter/perc mellett. Mivel sorba fogjunk kötni az elemeket, az átfolyó víz mennyisége mindenhol meg fog egyezni, tehát át kell számolni, hogy mekkorák lesznek az egyes nyomásesések 5 liter/perc esetén. Ha ideálisnak tételezzük fel a rendszert, akkor a térfogatáram négyzetesen arányos a nyomáskülönbséggel. Azaz kétszer akkora térfogatáramhoz négyszer akkora nyomásérték fog tartozni. Így a motoron 0,46 bar, míg a radiátoron 0,14 bar lesz a nyomásesés, ami a motorvezérlővel együtt 0,9 bar-t fog eredményezni. Szóval olyan pumpát kell választanunk, ami ezen a nyomáson tudja az 5 liter/percet. Összegyűjöttünk néhány pumpát egy megbízható márkából, hogy tudjunk válogatni. Az EBP az Electric Booster Pump rövidítése, míg a szám a maximális térfogatáramra utal.

Látható, hogy az 5 liter/perces folyadékáramlás létrehozásához egy “papíron” 40 liter/perces pumpára van szükségünk. Meglepő igaz?

A csövek veszteségeit elhanyagoltuk, mert előzetes számításaink szerint ez nem fogja meghaladni a 0,01 bar-t méterenként. Csak hogy ne legyen könnyű az élet, a motornak 10mm-es, a motorvezérlőnek 12mm-es vízcsonkjai vannak, minden másnak pedig 18mm-es, így vehetünk néhány adaptert is. A hűtés csövei átlátszó PVC-ből lesznek, nem pedig menő kék racsing szilikonból, azért, hogy lássunk minden apró megbúvó buborékot , és ki tudjuk irtani őket a feltöltés után.

Amint összeáll az autó le is tudjuk tesztelni, hogy mennyire voltak jók a kalkulációink. Mivel egy kicsit túlméreteztünk mindent, így optimisták vagyunk a hűtést illetően. Az ördög azonban sosem alszik, és nem szeretnénk, ha felforrna az MX-5 agyvize.