Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Validierung von Wärmeübergangsmodellen für die Öl-Sprühnebelkühlung von Antriebsmaschinen für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Forschungsziel ist die Entwicklung und experimentelle Validierung von Wärmeübergangsmodellen für die Auslegung der Öl-Sprühnebelkühlung im Inneren elektrischer Antriebsmotoren. Die zu entwickelnden Ansätze sollen Variantenuntersuchungen und Vorausberechnungen zur Gestaltung der Geometrie im Zusammenspiel mit weiteren wesentlichen Einflussparametern erlauben. Letztere werden hierfür identifiziert und in einem breiten Bereich variiert.

Für die Vorausberechnung der Sprühnebelkühlung von E-Maschinen, insbesondere in den Stirnräumen, werden zuverlässige thermische Modelle benötigt. Stand der Technik ist die Anpassung parameterbasierter Modelle auf Messungen an einzelnen spezifischen Maschinen. Die begrenzte Übertragbarkeit dieser Modelle auf modifizierte Designs oder andere Maschinen erschwert eine belastbare Vorausberechnung. Diese Einschränkungen stellen vor allem für KMU ein erhebliches Hindernis in der Entwicklung von effizienten und bauraumoptimierten Antrieben für die Elektromobilität dar.

Angedacht ist ein Lösungsweg analog zu klassischen Wärmeübergangskorrelationen für Mehrphasenströmungen. Dabei werden komplexe Anordnungen und Strömungsverhältnisse auf wenige charakteristische Parameter zurückgeführt, diese in Versuchen variiert und die Ergebnisse in Berechnungsgleichungen zusammengefasst. Damit können belastbare Voraussagen für eine große Breite physikalisch ähnlicher, aber in wesentlichen Abmessungen abweichender Geometrien, Strömungsverhältnisse und Fluideigenschaften getroffen werden.

Für die Untersuchungen und Modellvalidierung erfolgt der Aufbau einer generischen Elektromaschine mit lokal hochauflösender Sensorik für die Erfassung von Temperaturen, Wärmestromdichten und Fluidströmung. Geometrien, Wärmefreisetzung sowie Verteilung und Zusammensetzung der Kühlfluide werden in einem breiten Bereich variiert. Die erhaltenen validierten thermischen Modelle können nahtlos an etablierte elektromagnetische Modelle angebunden werden.

Ergebniszusammenfassung:

Aus den Stoffdatenmessungen der Kühlmedien (wässriges Glyzerin und ATF VI Getriebeöl) wurden zusammensetzungs- und temperaturabhängige Gleichungen zur Modellierung der Stoffdaten abgeleitet. Die Stoffdaten sind für den Einsatz von Wärmeübergangsmodellen im thermischen Auslegungsprozess von Elektromotoren zwingend erforderlich. In einem zweistufigen Versuchsaufbau wurden Wärmeübergangsmessungen in Sprühkammern (Stufe 1) sowie einer generischen Elektromaschine mit modularem Statorendring (Stufe 2) durchgeführt.

Stufe 1: Aus den statischen Sprühnebelkühlungsmessungen der Sprühkammern wurde ein dimensionsloses Wärmeübergangsmodell für Kühlmedien mit hohen Prandtl-Zahlen abgeleitet. Das Modell ermöglicht eine präzise Vorausberechnung des Wärmeübergangs der Sprühnebelkühlung mit Vollkegeldüsen bei unterschiedlichen Zuständen der Sprühstrahlüberlappung (partieller und vollständiger Tropfenaufprall).

Stufe 2: Es wurden eine Vielzahl von Wärmeübergangsmessungen mit unterschiedlichen Arten der Kühlmediumszufuhr (axial, wellenseitig) innerhalb der generischen Elektromaschine durchgeführt. Die Wärmeübergangsmessungen erfolgten an axialer, radialer und wellenseitiger Position der modularen Statorendringe. Weiterhin wurde der Einfluss der Wellenrotation in einem Drehzahlbereich von 250 1/min - 10000 1/min untersucht. Bei steigender Drehzahl bzw. kinetischer Energie des Kühlmediums wurde eine Verbesserung des Wärmeübergangs beobachtet. Durch die azimutale Auflösung des Wärmeübergangs auf der Statorendringoberfläche wurde ein sogenannter "Sumpfeffekt" identifiziert. Folglich bildet sich ein Flüssigkeitsspiegel in der Maschine aus, der den Statorendring bedeckt und den Wärmeübergang des auftreffenden Kühlmediums signifikant reduziert. Abschließend wurde das in Stufe 1 entwickelte Wärmeübergangsmodell erfolgreich auf die Geometrie der Statorendringe übertragen, wodurch dieses in den thermischen/elektrischen Auslegungsprozess sprühnebelgekühlter Elektromotoren integriert werden kann.