Erwärmung und Kühlung von mittleren Motoren

Das mittlere Leistungssegment wird sowohl in der Industrie und Automatisierung als auch im Antriebsstrang für die Elektromobilität verwendet, hier werden meist Asynchronmotoren sowie Synchronmotoren mit Permanentmagneten verwendet. Diese Leistungsklasse hat den stärksten und den am schnellsten wachsenden Umsatz.

 


Asynchronmotor mit Käfigläufer

Kühlungsmethoden

Die neuen Energieeffizienznormen und der Wunsch die Stromdichte ständig zu erhöhen ohne die Höchsttemperaturen zu überschreiten, verpflichten die Belüftung der neueren Maschinen optimal auszulegen. 

Im 19. Jahrhundert war die Ausnutzung der mittleren Maschinen noch so gering, dass meist die vorhandenen Gehäuseoberflächen genügten, um die Verlustwärme an die Umgebung abzuführen; bei den kleinen Maschinen ist es immer noch so. Kühlrippen bewirken eine Vergrösserung der Flächen und damit eine bessere Wärmeübertragung per Konvektion an den Gehäuseoberflächen. Mittlere Motoren brauchen eine aktive Kühlung, diese kann mit einem Lüfter oder mit einem Wassermantel realisiert werden.

Temperaturmessungen

Die Messungen sind im Vergleich zu grösseren Maschinen einfach zu realisieren. Oft steht deshalb eine Menge von Temperaturmessungen zur Verfügung, was eine Validierung der Rechenergebnisse ermöglicht. Die Hauptungenauigkeit der Temperaturberechnung ist oft die Ungenauigkeit der vorgegebenen Eisenverluste und Magnetverluste.

 

Wassermantel 

Wenn der Stator mit einem Wassermantel gekühlt wird, kann die Stromdichte bei niedrigen Drehzahlen und geringen Eisenverlusten verdoppelt werden und bei hohen Drehzahlen und hohen Eisenverlusten verdreifacht werden. Für Motoren mit Magneten im Läufer ist die thermische Herausforderung nicht mehr die Temperaturen der Isolierung der Ständerwicklung, sondern die Temperaturen der Magneten. Eine genaue Ermittlung der Magnetverluste ist hier sehr wichtig.

Fahrzyklen

Vordefinierte Fahrzyklen legen die Randbedingungen und die Geschwindigkeitsabläufe fest. Der Hauptmotor eines E-Autos und alle Hilfsmotoren müssen die eigenen Fahrzyklen ohne Temperaturschaden fahren können. Der Motor startet vom kalten Zustand, er produziert Wärme, diese fließt zunächst in die Wärmekapazitäten der Bauteile und weiter in die Kühlmedien und in die Umgebung. Wenn die Bauteile eine hohe Wärmekapazität besitzen, dann werden sie sich langsam aufwärmen und langsam abkühlen.

Wenn die Erwärmungsphase relativ kurz ist, dann kann eine wesentlich höhere Stromdichte fliessen als, wenn der Motor im Dauerbetrieb ist. Das nächste Bild zeigt die maximale Wicklungstemperaturen von einem Motor mit Permanentmagneten. Die zwei blauen Kurven für ein Dauerbetrieb mit 24,3 A; die zwei rosa-roten Kurven für 3000 Sekunden Erwärmung gefolgt von 1000 Sekunden Abkühlung mit 26 A und die violetten Kurven für 1000 Sekunden Erwärmung gefolgt von 3000 Sekunden Abkühlung mit 44A.

Temperaturen der Ständerwicklung für Dauerbetrieb und diverse Fahrzyklen

Aktuell:
Unser Beratungsingenieur Hr. Segond hat einen Vortrag während der Simcenter Conference Europe 2018 in Prag gehalten. Das Thema war „Kühlungsberechnungen für den Motor eines Elektroautos“. Es gab zahlreiche Zuhörer, davon viele Anwender von Star-CCM+.     

 

Artikel im Mai 2017 über E-Cooling in
Zeitschrift Engineering Edge
(Artikel auf Seiten 18-19)