Kühlung E-Maschinen-System
FVA 883 I | IGF-Nr. 20913-N
Entwicklung und Validierung von Wärmeübergangsmodellen für die Öl-Sprühnebelkühlung von Antriebsmaschinen für Elektro- und Hybridfahrzeuge
Elektrische Motoren in batterieelektrischen Fahrzeugen werden immer kompakter, wobei die Leistung der Antriebe gleichbleibt. Konventionelle Kühlmethoden, wie zum Beispiel die Wassermantelkühlung, stoßen dabei an ihre Grenzen. Durch die Verwendung einer Sprühnebelkühlung zur direkten Kühlung der Wickelköpfe kann die Leistungsdichte von elektrischen Maschinen signifikant gesteigert werden. Die Vorausberechnung der Kühlung ist jedoch beim gegenwärtigen Stand der Technik nahezu unmöglich.
Um diese Problematik in der Vorausberechnung zu beheben, wurden in dem folgenden Projekt generische, auf breiter parametrischer Basis abgesicherte thermische Modelle für eine sprühnebelgekühlte Elektromaschine für Traktionsantriebe entwickelt. Dabei wurden drei verschiedene Varianten der Benetzung untersucht (siehe Abbildung).
Auf Basis eines binären Glyzerin/Wasser-Gemischs kann der Wärmeübergang von verschiedenen Getriebeölen in einem breiten Temperaturbereich vorhergesagt werden. Bei statischen Messungen des konvektiven Wärmeübergangs wurde gezeigt, dass der Wärmeübergang maximal wird, sobald die benetzte Fläche mit direktem Tropfenaufprall maximiert wird. Eine Lackschicht, wie sie bei Wicklungen in elektrischen Maschinen vorliegt, hat keinen Einfluss auf den konvektiven Wärmeübergang und kann somit vernachlässigt werden. Unterschiedliche Krümmungen beeinflussen den Fluidabfluss und daher auch den konvektiven Wärmeübergang. So verbessert sich der konvektive Wärmeübergang bei konvexen Oberflächen, da der Fluidabfluss verbessert wird. Bei konkaven Oberflächen wird der Wärmeübergang entsprechend schlechter. Die Rotation der Welle hat bei einer Benetzung von der Stirnseite oder von radial außen vom Gehäuse keinen messbaren Einfluss auf den Wärmeübergang und kann daher in der Modellbildung vernachlässigt werden. Ein Wärmeübergangsmodell wurde auf Grundlage von ca. 900 unterschiedlichen Betriebspunkten des Modellfluids und Getriebeöls abgeleitet. Das Wärmeübergangsmodell ermöglicht eine Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten axial sowie radial sprühnebelgekühlter Statorenden für unterschiedliche Anzahlen und Arten von Vollkegeldüsen. Weiterhin gelang es, das Konzept des Modellfluids auf Basis der Getriebeölmessungen zu validieren.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20913-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
