Wasserkühlung für Motor und Controller: Wann sie notwendig wird
Ein Motor und ein Controller sind fast nie durch ihre elektrische Leistung begrenzt, sondern durch ihre Temperatur. Solange die Luft ausreicht, um die Wärme abzuführen, bringen Flüssigkeitskühlungen nur zusätzliches Gewicht und Komplexität. Sie werden notwendig, wenn die Maschine über einen längeren Zeitraum eine hohe Leistung erbringen muss, in einem geschlossenen Raum oder ohne ausreichende Luftzirkulation: bei Ausdauerfahrten, bei langsamen und schweren Fahrzeugen oder wenn der Motor in einem Gehäuse verbaut ist. Dieser Leitfaden erklärt, wie eine Flüssigkeitskühlung funktioniert und ab wann sie sinnvoll ist.
Das Wichtigste
- Die Leistungsfähigkeit eines Motors oder eines Controllers hängt maßgeblich von der Wärme ab, die er ableiten kann.
- Eine Flüssigkeit transportiert Wärme deutlich besser als Luft und ermöglicht es, diese weit entfernt abzuleiten, beispielsweise in einem Kühler, der an der optimalen Stelle platziert ist.
- Es bietet hauptsächlich eine hohe Dauerleistung, aber nur eine geringe Spitzenleistung.
- Es verursacht zusätzliches Gewicht, benötigt Platz, eine Pumpe, einen Kühler und birgt das Risiko von Leckagen.
- Bei einem E-Scooter reicht in der Regel eine gute Luftkühlung aus; eine Flüssigkeitskühlung ist eher bei schwereren oder stärker beanspruchten Modellen sinnvoll.
Warum begrenzt die Wärme die Leistung?
Ein Motor gibt Wärme in seinen Wicklungen (Kupferverluste, die mit dem Quadrat des Stroms zunehmen) und in seinem Eisenkern (Verluste, die mit der Geschwindigkeit zunehmen) ab. Ein Controller erwärmt sich in seinen Transistoren. Unser Leitfaden über die Erwärmung eines Elektromotors erläutert diese Verluste im Detail.
Was entscheidend ist, ist das Gleichgewicht zwischen der erzeugten Wärme und der Wärmeabfuhr. Bei einer kurzen Beschleunigung absorbieren die Komponenten die Wärme in ihrer Masse: Es kann deutlich mehr Leistung als die "kontinuierliche Leistung" abgefordert werden. Im Laufe der Zeit steigt die Temperatur, bis die Wärmeabfuhr die Wärmeerzeugung ausgleicht. Wenn dieses Gleichgewicht über das hinausgeht, was die Isolierung der Wickungen, die Magnete oder die Transistoren aushalten, muss die Leistung reduziert oder eine bessere Kühlung implementiert werden.
Deshalb erhöht eine effizientere Kühlung vor allem die Leistung, die man über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann. Die Spitzenleistung hängt dagegen stärker vom Strom ab, den der Controller und die Batterie liefern können.
Wie funktioniert eine Flüssigkeitskühlung?
Das Prinzip ist ähnlich wie bei einem Auto: Eine Flüssigkeit zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf und wird von einer Pumpe angetrieben. Sie fließt durch das zu kühlende Bauteil, erwärmt sich dort und gelangt dann in einen Kühler, wo die Luft sie abkühlt, bevor sie wieder in den Kreislauf zurückfließt.
- `Motorbereich:` Um den Stator herum wird eine Hülle angebracht, ein doppelwandiger Kasten, in dem die Flüssigkeit so nah wie möglich an den Wicklungen zirkuliert. Dies erfordert einen Motor, bei dem der Stator am Kasten befestigt ist, ähnlich wie bei einem Motor mit Wellenabgang; bei einem Motor-Rad, bei dem das äußere Gehäuse rotiert, ist dies deutlich schwieriger.
- `Bezüglich des Controllers: Die Transistoren sind auf einer Kühlplatte montiert, einer Metallplatte mit Kanälen, durch die eine Flüssigkeit fließt.`
- Die Flüssigkeit: In der Regel handelt es sich um Wasser, dem Frostschutzmittel und Korrosionsinhibitoren zugesetzt wurden. Sie muss mit den Metallen des Systems kompatibel sein.
- `Der Kühler:` Er wird dort platziert, wo die Luft strömt, eventuell mit einem Lüfter für die langsameren Phasen.
Der große Vorteil besteht darin, dass die Wärme effektiv abtransportiert werden kann. Ein Motor, der in einem Gehäuse untergebracht ist, oder ein Controller, der in einem wasserdichten Behälter platziert ist, kann so durch einen Kühler gekühlt werden, der sich vorne am Gerät befindet und im Luftstrom platziert ist.
Die Luft, die erste Ressource, die erschöpft wird
Bevor wir zur Flüssigkeit wechseln, stellen wir sicher, dass die Luft ordnungsgemäß verwendet wird:
- `Der Controller, der an Metall montiert ist: Mit Schrauben an einem Aluminiumrahmen oder Kühlkörper befestigt und mit Wärmeleitpaste oder -pad versehen, hält er seine Betriebstemperaturen deutlich besser als wenn er in Kunststoff eingeschlossen wäre.`
- Ein Motor, der atmet: Bei unseren Motorrädern MHS, MHT, XHS und XHT wird unser 6-Flügel-Motorlüfter auf der Nabe auf der Kabelseite montiert und zwingt die Luft durch den Motor. Ein so belüfteter Motor ist nicht mehr wasserdicht: dies ist eine Lösung für trockene Bedingungen und den Einsatz auf der Rennstrecke. Sehen Sie sich unsere Anleitung zum Belüften eines Motorrollers an.
- `Eine Flüssigkeit im Luftspalt: Bei einem Radmotor kann eine Ferroflüssigkeit dabei helfen, Wärme vom Stator zum Gehäuse zu leiten. Sehen Sie sich unseren Leitfaden über Ferroflüssigkeiten an.`
- `Angemessene Einstellungen:` Stromgrenzen, die angepasst sind, Temperatursensoren, die angeschlossen sind, und Grenzwerte, die im Controller eingestellt wurden.
Wann eine Flüssigkeitszufuhr erforderlich ist
Einige Situationen, in denen die Luft alleine nicht mehr ausreicht:
- Hohe Leistung über lange Zeiträume: Ausdauer, Bewältigung steiler Anstiege mit Beladung, kontinuierlicher Betrieb von Baumaschinen oder Fördermitteln.
- `Eine langsame und schwere Maschine: Bei niedriger Geschwindigkeit gibt es wenig relativen Wind zur Kühlung, während die Belastung hoch ist.`
- `Verschlossene Komponenten: Motor in einem wasserdichten Gehäuse, Elektronik in einem wasser- und staubgeschützten Behälter.`
- `Eine Gewichtsbeschränkung für den Motor : Ein wassergekühlter Motor kann die gleiche Leistung kontinuierlich mit weniger Masse liefern als ein luftgekühlter Motor, was teilweise das Gewicht der Elektronik kompensiert.`
| Luftkühlung | Flüssigkeitskühlung | |
|---|---|---|
| Leistung, die dauerhaft erhalten bleibt | Begrenzt durch die Oberfläche und den Wind | Höher, bei gleicher Größe |
| Gewicht und Abmessungen | Schwache | Pumpe, Kühler, Schläuche, Flüssigkeit |
| Wasserdichtigkeit des Bauteils | Oftmals wird sie geopfert, um den Luftstrom freizugeben | Erhält: Die Wärme wird durch die Flüssigkeit abgeführt |
| Wartung | Reinigung | Niveau, Leckagen, Zustand der Flüssigkeit, Pumpe |
| Risiko bei Ausfall | Progressive Temperaturerhöhung | Pumpenversagen oder Leckage: Schnelle Überhitzung |
Die Fallstricke
- Die Pumpe ist ein potenzieller Ausfallpunkt: Wenn sie ausfällt, steigt die Temperatur sehr schnell an. Es ist notwendig, einen Temperatursensor am Bauteil selbst zu haben, nicht nur im Kühlmittel, und eine automatische Reduzierung der Leistung.
- `Undichtigkeiten in der Nähe von Hochspannungsleitungen: Der Stromlauf verläuft in der Nähe der Elektronik; Anschlüsse und Befestigungen müssen sorgfältig ausgeführt und überprüft werden.`
- `Luft im Kreislauf: Eine eingeschlossene Luftblase im Kühlkörper erzeugt einen Hotspot. Der Kreislauf wird beim Befüllen entlüftet.`
- `Die Kühlflüssigkeit: Eine Kühlflüssigkeit ohne Frostschutzmittel kann im Winter gefrieren und ein Bauteil beschädigen.`
Werkstatt-Tipp.
Bevor Sie einen Kühlsystem entwerfen, messen Sie. Ein Sensor im Motor, ein weiterer am Controller und eine repräsentative Testfahrt, die den tatsächlichen Gebrauch widerspiegelt, zeigen, ob das Problem die Wärme ist und woher sie kommt. Oftmals löst eine bessere Befestigung des Controllers oder eine genauere Stromregelung das Problem, ohne dass überhaupt eine einzige Tropfen Flüssigkeit benötigt wird.
Bei der Entwicklung eines Geräts
Die Wahl der Kühlung erfolgt bereits zu Beginn, zusammen mit der Auswahl des Motors und des Controllers: sie bestimmt deren Größe, Gewicht und Platzbedarf. Wenn wir einen Controller für eine bestimmte Maschine entwickeln, gehört die Kühlung zu den Aspekten, die wir anpassen, zusammen mit dem Format, den Anschlüssen und der Abdichtung. Beschreiben Sie Ihr Projekt unserem Entwicklungsteam: die Lösung wird für die Maschine und ihre Anwendung maßgeschneidert.
Häufig gestellte Fragen
Kann man einen Motor für ein Elektroroller mit einer Flüssigkeitskühlung versehen?
Es ist sehr schwierig: Bei einem Radmotor dreht sich der äußere Teil, während die Wicklungen sich im Zentrum befinden, um eine feste und schmale Achse. Die Durchführung einer Flüssigkeit durch diese Achse erfordert einen dafür ausgelegten Motor. Bei einem E-Scooter verbessert man stattdessen die Luftzirkulation oder den Wärmeabtransport im Luftspalt.
Erhöht eine Flüssigkeitskühlung die maximale Leistung?
Wenige. Es erhöht hauptsächlich die Leistung, die man über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann, und die Dauer, während der man nahe am Maximum bleiben kann. Die Spitzenleistung hängt in erster Linie vom verfügbaren Strom ab.
Sollte der Controller ebenfalls mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden, wenn der Motor bereits eine solche Kühlung hat?
Nicht unbedingt. Wir betrachten jede Komponente einzeln: Ein gut befestigter Controller auf einem Metallrahmen kann möglicherweise ausreichend mit Luft gekühlt werden, während ein Motor, der geschlossen ist, eine Flüssigkeitskühlung benötigt. Wenn beide Komponenten eine Kühlung benötigen, nutzen sie oft das gleiche System.
Welche Wartungsarbeiten sind bei einem Kühlsystem erforderlich?
Überprüfen Sie den Flüssigkeitsstand und stellen Sie sicher, dass keine Undichtigkeiten vorhanden sind. Kontrollieren Sie den Zustand der Flüssigkeit und wechseln Sie diese gemäß den Empfehlungen des Herstellers. Stellen Sie sicher, dass die Pumpe funktioniert und dass der Kühler nicht verstopft ist.