Motivation mit Zielsetzung
Die steigende Nachfrage nach nachhaltigen und effizienten Transportmitteln hat das Interesse an elektrisch/hybridbetriebenen Flugzeugen geweckt. Ein erfolgreicher Einsatz dieser Flugzeuge erfordert fortschrittliche elektrische Maschinen mit höherer Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und leichter Bauweise. Unser Projekt konzentriert sich auf eine kritische Herausforderung in der Konstruktion elektrischer Maschinen für Flugzeuge - die effiziente Kühlung. Ziel ist es, die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektrischen Maschinen zu verbessern und so zur Weiterentwicklung der elektrischen Luftfahrttechnologie beizutragen.
Der Lehrstuhl für elektrische Antriebe an der Universität der Bundeswehr München arbeitet derzeit an der Entwicklung einer innovativen elektrischen Maschine mit Statorflussbarrieren. Diese spezielle Topologie bietet eine Reihe von Vorteilen, darunter reduzierte Oberwellenverluste, höhere Leistungsdichten und ein verbessertes Wärmemanagement durch Verkürzung der Wärmewege und Vergrößerung der Kühlflächen. Das Hauptziel dieses Projekts besteht in der Modellierung und Auslegung eines effizienten und zuverlässigen Kühlsystems.
Abbildung 1: Elektrische Maschine (links) mit Nahaufnahme der Flussbarriere (rechts)
Stand von Wissenschaft und Technik mit Neuheit des Lösungsansatzes
Elektrische Maschinen mit hoher Leistungsdichte werden derzeit mit Wasserkühlmänteln und Sprühölkühlung gekühlt, was jedoch zu größerer Komplexität, Gewichtszunahme und erhöhtem Wartungsaufwand durch zusätzliche Komponenten führt. Eine vielversprechende Alternative für Maschinen mit Statorflussbarrieren ist die Luftkühlung, die zusätzliche Kühloberflächen in der Nähe des Luftspalts bietet und somit das Wärmemanagement von Stator und Rotor verbessert. Durch die Integration passiver Wärmeübertragungstechnologien wie Heat Pipes kann in Kombination mit einer Luftkühlung die Wärme effizient abgeleitet werden. Die Temperaturen werden homogenisiert und die gesamte thermische Leistung verbessert ohne zusätzliche Komplexität und Gewicht der Wasserkühlung. Das Ziel des vorgeschlagenen Systems ist die Gewährleistung eines optimales Wärmemanagement unter allen Betriebsbedingungen.
In unserem Projekt ist die detaillierte Modellierung der elektrischen Maschine entscheidend für die Auslegung und Leistungsoptimierung. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik (engl.: Computational Fluid Dynamics, CFD) berechnen wir wichtige Parameter wie Wärmeübergangskoeffizienten und stationäres thermisches Verhalten des E-Motors. Dadurch erhalten wir ein tiefes Verständnis der thermischen Eigenschaften der Maschine und können eine effiziente Kühllösung entwickeln, die speziell auf unser Design zugeschnitten ist. Zusätzlich zur CFD-Analyse verwenden wir sogenannte „Lumped Parameter Thermal Networks“ (LPTN), um das instationäre Verhalten der Maschine während verschiedener Flugmissionen vorherzusagen. Unser Projekt erfordert die Bewertung des thermischen Verhaltens der Maschine in zwei Szenarien: einmal für maximale Reiseflugdauer und dann für eine bestimmte Anzahl von Touch-and-Go-Flügen.
Ergebnisse
Unser Projekt hat Fortschritte bei der Entwicklung thermischer Modelle für elektrische Maschinen mit hoher Leistungsdichte erzielt. Wir haben ein konjugiertes CFD-Wärmeübertragungsmodell in ANSYS Fluent entwickelt, das die Wärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen und den thermischen Kontaktwiderstand der Maschine berücksichtigt. Mit diesen Modellen können wir das Verhalten der Maschine unter verschiedenen stationären Bedingungen vorhersagen. In Zusammenarbeit mit dem Institut für elektrische Antriebe haben wir ein stationäres Finite-Volumen-Modell in Verbindung mit elektromagnetischen Simulationen (ANSYS Maxwell) entwickelt. Durch diesen integrierten Ansatz können wir das lokale thermische Verhalten der Maschine unter Berücksichtigung der Position der Wärmeverluste umfassend analysieren.
Abbildung 2: Hot-Spot-Bestimmung der Maschine bei geringer Kühlung (200 Pa Anströmdruck) (links) und verbesserter Kühlung (600 Pa) (rechts)
Darüber hinaus haben wir ein LPTN-Modell für die instationäre Analyse entwickelt und dabei die Auswirkungen der räumlichen Auflösung in axialer, radialer und tangentialer Richtung berücksichtigt, womit die Genauigkeit und Zuverlässigkeit unseres Modells im Vergleich zu den CFD-Simulationen im stationären Zustand bewertet wird. Um die Flexibilität unseres Modellierungsansatzes zu verbessern, haben wir außerdem ein spezielles Matlab/Simulink-Tool entwickelt. Mit diesem Tool können wir die axiale Diskretisierung des Modells ändern.
Die nächsten entscheidenden Schritte in unserem Projekt umfassen die Validierung unserer thermischen Modelle durch einen umfassenden Vergleich verschiedener Lastbedingungen und Transienten mit der im Bau befindlichen physischen Referenzmaschine. Dieser Validierungsprozess wird wiederum in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für elektrische Antriebe durchgeführt.
Basierend auf den Validierungsergebnissen werden wir kontinuierlich an unseren Modellen arbeiten, um eine höhere Genauigkeit und Präzision zu erzielen. Dieser iterative Prozess ermöglicht es uns, thermische Modelle zu entwickeln, die das Verhalten der realen elektrischen Maschine genau widerspiegeln und unser Verständnis ihrer thermischen Dynamik verbessern. Die validierten Modelle dienen als Grundlage für die Optimierung des Kühlsystems. Dabei werden wir verschiedene Rippenverteilungen und strategische Positionierung von Wärmerohren untersuchen, um die Kühleffizienz und die thermische Leistung der elektrischen Maschine zu maximieren. Diese Optimierung basiert auf den Erkenntnissen aus unseren detaillierten Modellierungen und experimentellen Validierungen. Letztendlich wird dies zu einem maßgeschneiderten Kühlsystem führen, das den Anforderungen verschiedener Flugmissionen und Betriebsbedingungen gerecht wird.
Verwertungsperspektive
Die Entwicklung luftgekühlter elektrischer Maschinen mit Flussbarrierenstatoren bietet vielversprechende Anwendungen in zivilen und militärischen Bereichen. Sie können die Komplexität reduzieren und die Realisierbarkeit im Transportsektor verbessern. Im militärischen Bereich sind sie ideal für leichtgewichtige unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) geeignet, die auf Luftkühlung und passive Komponenten angewiesen sind.
Ansprechpartner und am Projekt beteiligte Mitarbeiter