Egy elsőre igencsak meglepő tanulmány és kutatási program látott napvilágot a világ egyik vezető olajipari és energetikai óriásától.
Eddig is tudtuk, hogy az elektromos meghajtású gépkocsiknak, munkagépeknek vagy éppen traktoroknak ugyanúgy van folyadékos hűtőrendszerük, mint a dízel, benzines vagy éppen gázüzemű változatoknak. Ugyanakkor kisebb térfogat és hőleadó felület is elegendő az alacsonyabb üzemi hőfok miatt (általában +60-75 °C).
Az sem újdonság, hogy a nagyobb bányaipari gépeknél elektromos vagy hibrid üzem esetén a villanymotorokat speciális olajjal hűtik, hasonlóan a transzformátorokhoz. Azonban nagyon fontos megjegyezni, hogy egyik esetben sem tölt be kenési funkciót a hűtésre szolgáló folyadék, csak a hőelvezetést biztosítja. Vajon össze lehet-e kombinálni a kettőt, ráadásul környezetbarát módon?
Új kihívások közepette
A nagy teljesítménysűrűségű elektromos járművek korábbi generációinak hőkezelése közvetlen hűtési stratégiákat igényel, amelyekben a hűtőfolyadék közvetlenül érintkezik az elektromos motor forró pontjaival. Az állandó mágneses szinkronmotorokban (PMSM) az állórész végtekercselése és a rotor mágnesei bizonyos mennyiségű hőt termelnek, amelyet a hagyományos vízköpenyes hűtéssel nem lehet megfelelően elvezetni. Ezért fejlesztették ki a közvetlen olajhűtési technológiát, amelyben a hajtóműolajat (sebességváltó-olaj) használják az elektromotor hűtőközegeként.
Ez az új hűtési megoldás általában egy üreges rotortengelyt alkalmaz, ahol az olaj áramlik, továbbá a rotortengely két szélén található furatok lehetővé teszik, hogy az olaj a centrifugális erőnek köszönhetően a tekercsekre fröccsenjen. Ez a közvetlen olajhűtés jelentősen javítja a hőelvezetést.
Ezt a változtatást azonban nem az indokolta, hogy az olaj jobb hűtési tulajdonságokkal rendelkezik, mint a vízalapú hűtőfolyadék. Éppen ellenkezőleg: a víz gyakran ideális hűtőfolyadék a nagy hővezető képessége (az olajhoz képest négyszeres), a nagy hőkapacitása (kétszeres) és az alacsony viszkozitása miatt. Ugyanakkor ez erős kételyeket ébresztett, és úgy gondolták, hogy a víz alkalmazása két fő okból nem megvalósítható.
Először is, a vízalapú hűtőfolyadék közvetlen kölcsönhatásba lép az elektromos alkatrészekkel, és egyébként is rövidzárlatot okozna. Ezért nagyon alacsony elektromos vezetőképességre van szükség, ami az olajokkal elérhető (lásd transzformátorok).
Másodszor, a folyadék közvetlenül érintkezik a fogaskerekekkel és a csapágyakkal is, ezért kenési tulajdonságokkal kell rendelkeznie, ami a kenőolajok további előnye a vízzel szemben. A fenti elvárások a víz kémiai összetételével javíthatók.
A cél egy olyan innovatív WBL (Water-Based Liquid – vízbázisú folyadék) kifejlesztése volt, amely jó kenési tulajdonságokkal rendelkezik, miközben megőrzi a víz kiváló hűtési tulajdonságát. A WBL használata még a kenőolajokat is felülmúlhatja számos tulajdonságban, különösen a környezeti lábnyom tekintetében, ami forradalmi változást hozhat nemcsak a kenőanyaggyártásban, de a jármű- és gépgyártás területén is.
Hűtési hatékonyság
A TotalEnergies kifejlesztett egy szimulációs munkafolyamatot az elektromos motorok hűtésének tanulmányozására. Az 1. ábrán bemutatott különböző szimulációs eszközök lehetővé teszik, hogy átfogóan közelítsük meg az elektromos motor hőtechnikai modellezését.
A szimulációs munkafolyamat áttekintése: elektromotor azonosítása (Motor-CAD), elektromágneses elemzés (Comsol), áramlástan (Particleworks) és termikus modell (Comsol) – 1. ábra: www.lubricants.totalenergies.com
A munkafolyamatot bemutatva egy, az e-motor hatékonysági térképére jellemző üzemi állapotot választottunk: 6000 fordulat/perc 90 Nm nyomatékkal. Ez egy 70 km/h sebességgel egyenletesen haladó gépkocsit imitál. Két folyadékot hasonlítottak össze a közvetlen folyadékhűtés architektúráján belül: egy referenciaolaj-alapú kenőanyagot és a TotalEnergies WBL-t.
A közvetlen folyadékhűtési rendszer egy üreges tengelyből és a tengely elején és hátulján található négy csatornából áll, amely a 2. ábrán látható. A folyadék a négy csatornán keresztül a rotor forgása által kifejtett centrifugális erőnek köszönhetően a tekercsekre jut. A folyadék bemeneti hőmérséklete 60 °C, az áramlási sebesség pedig 5 l/perc.
Az elektromotor és a tengely kialakítása – 2. ábra: www.lubricants.totalenergies.com
A mozgó részecskék szimulációján (MPS) alapuló, háló nélküli CFD-szoftvert, a Particleworkst használtak, hogy rugalmas modellezést és szimulációt biztosítson összetett mozgó határfelületi problémákhoz. Háló nélküli tulajdonságának köszönhetően különösen alkalmas az olyan összetett geometriák kezelésére, mint az elektromotor tekercselése vagy az olyan mozgó alkatrészek, mint a rotor.
Átlagos és maximális hőmérsékletek a villanymotor különböző pontjain közvetlen olajhűtéssel (sárga) és vízbázisú hűtőfolyadékkal (kék) – 3. ábra: www.lubricants.totalenergies.com
Átlagos hőmérséklet-csökkenés a TotalEnergies WBL-lel a villanymotor különböző pontjain – 4. ábra: www.lubricants.totalenergies.com
A 3. és 4. ábrán látható eredmények megerősítik, hogy a TotalEnergies WBL jobb hűtést biztosít a villanymotornak. A tekercseknél mért -16%-tól a tengelynél mért -58%-ig jelentős hőmérséklet-csökkenést számoltak az e-motor minden egyes részén. Még nagyon alacsony viszkozitási érték mellett sem lehetett volna elérni ezeket a hőmérséklet-csökkenéseket olaj(alapú) kenőanyaggal. A víz kiváló hőelvonó képessége lehetővé teszi, hogy a WBL elérje ezt a kiemelkedő hűtési teljesítményt.
A WBL-lel történő közvetlen hűtés megnyitotta az utat a nagyobb teljesítménysűrűségű (méret, tömeg és teljesítmény arányai) villanymotor és az optimalizált hűtési stratégia felé.
Anyagkompatibilitás
Az egyik fő tényező, amely megakadályozza a vízalapú hűtőfolyadék elektromos motorokhoz történő közvetlen hűtéshez való használatát, a víz jó elektromos vezetőképessége miatti félelem. Igaz, hogy a víz és a fémréz közvetlen érintkezése halálos következményekkel járna, a villanymotorban azonban soha nincs közvetlen kapcsolat a hűtőfolyadék és a fémréz között. A rézhuzalokat több réteg szigetelőanyaggal vonják be.
A huzalzománcok kémiai összetétele általában poliészter (PE), poliészter-imid (PEI), poliamid-imid (PAI) vagy poliéter-éter-éter-keton (PEEK). A szigetelőrendszer még tovább erősíthető egy impregnáló gyantaréteg hozzáadásával. Ezért feltételezhető, hogy az elektromos szigetelési tulajdonságot teljes mértékben támogatják a huzalszigetelő anyagok, és vízalapú hűtőfolyadék is használható, ha kompatibilis a szigetelőanyagokkal.
A részleges kisülési vizsgálat hatékony eszköz a tekercselési anyagok szigetelési tulajdonságának ellenőrzésére: egy lokalizált átütési jelenség a szigetelés egy részén két vezető között. Ez akkor következik be, amikor az elektromos térerősség meghaladja a szigetelőanyag egy részének átütési szilárdságát. A részleges kisülés (PD – partial discharge) a szigetelőrendszer meghibásodásához vezethet. A PD bekövetkezéshez szükséges feszültségérték a részleges kisülés kezdeti feszültsége (PDIV – partial discharge inception voltage). A kisülés mindaddig folytatódik, amíg a feszültség a részleges kisülés kialvási feszültsége (PDEV –partial discharge extinction voltage) alá nem csökken.
Laborteszt
A tesztelt mintákat WBL-ben áztatva különböző öregedési időkre +90°C-os kemencébe tették és összehasonlították egy olyan referenciacsoporttal, amelyet semmilyen folyadékba nem raktak. 24 és 672 óra között a teljes PDIV és PDEV viszonylag stabil és a referenciaértékhez közeli értéken marad, ami egyértelműen azt jelzi, hogy a TotalEnergies WBL kompatibilis a tekercselőhuzalokkal. Sőt, 672 órás öregedési folyamat után is megőrzi a megbízható elektromos szigetelési tulajdonságait.
Kiváló kenési tulajdonságok
Vízalapú kenőanyag magas fokú kenőképességét szintén laborban, EHL-módszerrel vizsgálták, és kivételes súrlódási viselkedést mutatott, amikor két, egymáshoz képest mozgásban lévő felület közötti rendkívül alacsony súrlódási állapot jött létre. Számos vizsgálatban 0,001-es súrlódási együtthatót mértek. Ennek magyarázata egy olyan hidratációs réteg kialakulása, amelynek nyírási tulajdonsága ultraalacsony súrlódást eredményez.
Határmenti kenési rendszer kezelése
A víz nem piezoviszkózus folyadék, ami azt jelenti, hogy viszkozitása nyomásváltozásra sokkal kevésbé változik, mint az olajé. Az olaj viszkozitása jelentősen megnő a nyomás növekedésével. Minden 50 MPa (50 bar) növekedés esetén körülbelül megduplázódik, így segít vastagabb kenőfilmréteg kialakításában. A víz tulajdonságai miatt a WBL filmvastagsága nagyjából 50%-kal kisebb, mint az olajok esetében, ezért a biztonságos kenésről a kockázatosabb határértéki kenésre való áttérés valószínűbbnek látszik.
Elegendő kenési képesség
A határfelületi kenési rendszerhez kapcsolódó egyik fogaskerék-meghibásodási jellemző a fogaskerék csorbulása. A kenőképességi határ akkor alakul ki, amikor a nagy sebesség és terhelés mellett az egymással érintkező felületek közti kenőfilmréteg összeomlik, ami erőteljes kopást eredményez. Különböző tanulmányok a kenési képesség hatékonyságát a felületen kialakuló védő tribofilm növekedésének tulajdonítják. A tribofilm a kenőanyag kopásgátló/nyomásálló adalékanyagok és a köztük létrejövő kötődés és kémiai reakció hatására jön létre, tribológiai igénybevétel hatására. A vízalapú kenés összefüggésében az adalékanyagokat gondosan kell megválasztani, hogy ellenálljanak a határkenési korlátoknak.
Meg kell említeni, hogy a szabványos vizsgálati eljárások hőmérsékletét +60°C-ra csökkentették, hogy a "WBL-vizsgálathoz" igazítsák. Adott hőterhelés esetén a víz hőmérséklete alacsonyabb lenne, mint az olajé, a jobb hűtési képesség miatt.
Életciklus-értékelés
Tekintettel az éghajlatváltozás elleni küzdelem fontosságára és napjaink környezetvédelmi szempontjaira, elengedhetetlen, hogy a kenőanyagipar a fenntarthatóság követelményeit is maximálisan figyelembe vegye termékei értékelésekor. Így a környezetbarát tervezés alapvető fontosságú a kenőanyag környezeti lábnyomának csökkentéséhez annak teljes életciklusa során. A WBL tervezésétől várt hozzáadott értékek egyike az alacsonyabb környezeti hatás.
A TotalEnergies a WBL-t az Ecoinvent 3.8 adatbázis felhasználásával, a termék környezeti lábnyomának több szempontú módszertana alapján végezték el az életciklus-értékelést, összehasonlítva az olajalapú, hagyományos megfelelőjével.
Az elemzés során azonban problémát jelent a megbízható adatok hiánya, különösen ha sok folyamatról van szó. Ezért "bölcsőtől kapuig" elemzést végeztek, figyelembe véve a nyersanyag-kitermelést, a nyersanyagok szállítását és a gyártási folyamatokat, amelyre vonatkozóan az adatok jól ismertek (rendszerhatár-számítás).
A hangsúlyt a következő három környezeti mutatóra helyezték, amelyek a vállalat tevékenysége és a kenőanyag alkalmazási területe szempontjából relevánsak:
- Globális felmelegedési potenciál, amelyet az IPCC 2013-as adatai szerint a szén-dioxid-egyenérték (kgCO2eq) határoz meg
- Vízfelhasználás (m3), az AWARE100 módszertan szerint
- Erőforrás-felhasználás, fosszilis energiahordozók (MJ), a CML v4.8 szerint.
Az 5. ábrán látható LCA-eredmények (Life Cycle Assessment – Életciklus-elemzés) a TotalEnergies WBL környezeti előnyeit mutatják: a globális felmelegedési potenciál 30%-os csökkenése, valamint a víz- és erőforrás-felhasználás 60%-os csökkenése. Az LCA-nak köszönhetően a WBL környezeti előnyei e három fő környezeti mutató tekintetében bizonyítottak.
A TotalEnergies K+F csapata és partnerei intenzív kutatásainak köszönhetően a WBL nagy előrelépést ígér az elektromos gépek és járművek terén, és a vállalat továbbra is arra törekszik, hogy az e-mobilitás és más elektromos off-road alkalmazások jövőbeli kihívásaira lépcsőzetes folyadéktechnológiát alakítson ki.
S természetesen ne feledkezzünk meg a hibrid vagy az üzemanyagcellás meghajtásokról sem, ahol szintén kell hűteni az elektromos hajtásláncot, legyen az majd traktor, kombájn, önjáró permetezőgép, rakodógép vagy szántóföldi robot. (A szerző)
A TotalEnergies WBL és egy referencia-olajalapú kenőanyag összehasonlítása három mérőszám alapján: vízfelhasználás és erőforrás-felhasználás – 5. ábra: www.lubricants.totalenergies.com
Forrás: www.lubricants.totalenergies.com
_fill_100x75_0.jpg)
