ENTWICKLUNG EINER ÖLSPRAYKÜHLUNG FÜR DEN STATOR EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE MIT HOHER LEISTUNGSDICHTE FÜR DEN FAHRZEUGEINSATZ.
Motivation
Aktuelle Kühlsysteme für den Stator elektrischer Maschinen (EMA) nutzen die Wärmeleitung über die verschiedenen Komponenten, um die anfallende Verlustleistung in den Kühlmantel zu transportieren. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten Isolationsmaterials entsteht im Inneren der Statornuten jedoch ein Flaschenhals der Wärmeleitung. Die Wickelköpfe erwärmen sich folglich deutlich stärker als der Rest der Maschine. Da eine Überschreitung der zulässigen Grenztemperaturen vermieden werden muss, limitiert somit die Wickelkopftemperatur die Leistung der gesamten Maschine. Insbesondere in elektrischen Maschinen mit hoher Energiedichte sind folglich alternative Kühlkonzepte zu prüfen. In einem vorausgegangenen Projekt wurde gezeigt, dass sich mittels Anspritzen der Wickelköpfe mit Öl eine bessere Temperaturverteilung erzielen lässt. Jedoch fehlt es aktuell noch an umfassendem Verständnis und Erfahrungen, um derartige Kühlsysteme optimal auszulegen.
Ziel
Die Industriepromotion verfolgt das Ziel, ein Kühlsystem für eine EMA zu entwickeln, welches Öl zur direkten Kühlung der Wickelköpfe nutzt. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann auf diesem Weg eine homogene Temperaturverteilung auf niedrigem Temperaturniveau erzielt werden. Die Entwicklung erfolgt virtuell mithilfe von kommerziellen und lizenzkostenfreien Open Source Simulationstools. Mit diesem Vorgehen wird eine breite Grundlage geschaffen, um die Entwicklung softwareseitig zu unterstützen. Es werden ferner Simulationsmodelle und Prozesse definiert und anhand von Versuchen für den zukünftigen Serieneinsatz validiert.
Ansatz
Die anfängliche Literaturrecherche ergab, dass sich die beste Kühlwirkung über ein fein zerstäubtes Ölspray erzielen lässt. Aufgrund des Ansatzes einer virtuellen Entwicklung mithilfe von 3D CFD Simulationen muss zudem eine spezielle Statormodellierung eingesetzt werden, welche die komplexe Geometrie mittels anisotroper Wärmeleitungseigenschaften sehr effizient abbildet. Über die Durchführung eines orientierenden Versuchs mit Ölspray und dem gleichzeitigen numerischen Simulieren dieses Versuchs können die (zusätzlich) implementierten Modelle validiert werden. Es wird ein generischer Simulationsworkflow entwickelt und auf eine beispielhafte Statorgeometrie angewendet. Eine nachfolgende Optimierung des Kühlsystems zeigt das hohe Potenzial einer Ölspraykühlung in einer EMA. Gleichzeitig entsteht ein serienfähiger Simulationsworkflow für die zukünftige Auslegung von Ölspraykühlungen in elektrischen Maschinen.
Simulation eines ölspraygekühlten Stators
Variantenoptimierung mittels hybrider genetischer Algorithmen
Untersuchung des Wärmeübergangs in nichsiedenden Wandfilmen mit Sprayinteraktion
EMOSCE - Electrical Machine Oil Spray Cooling Experiment
