Verteilung von Kühlelementen in flüssiggekühlten elektrischen Maschinen für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen

Die Elektrifizierung mobiler Arbeitsmaschinen erfordert elektrische Maschinen mit kompakter Bauform und hoher thermischer Belastbarkeit. Konventionelle Kühlkonzepte wie spiralförmige Wassermäntel führen jedoch zu ungleichmäßigen Temperaturverteilungen und lokalen Hotspots an der Schnittstelle zwischen Stator und Kühlmantel, die die Leistungsfähigkeit begrenzen.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer analytisch gestützten Methode zur gezielten Verteilung diskreter Kühlelemente (Pin-Fins) innerhalb des Kühlkanals. Grundlage bildet ein thermisches Mehrknotenmodell (LPTM) mit axialer Segmentierung, das auf Basis von orts- und zeitaufgelösten Verlustprofilen die Wärmeströme an der thermischen Schnittstelle detailliert beschreibt. ... mehrDiese werden aus typischen Betriebspunkten zweier exemplarischer mobiler Anwendungen – eines hybridisierten Baggers und eines elektrifizierten Mehrzwecktransporters – gewonnen.

Die berechneten Wärmeströme dienen als Basis zur Bestimmung einer bedarfsgerechten Dichteverteilung der Kühlelemente entlang der axialen Richtung. Die resultierenden Kühlelementverteilungen werden im Vergleich zu einem konventionellen Kühlspiralendesign ($\Delta T = 20{,}2\,\mathrm{K}$, $T_\mathit{max} = 80{,}2\,^{\circ}\mathrm{C}$) mittels CFD validiert. Dabei zeigt sich, dass sich die maximale Schnittstellentemperatur um bis zu $18\,\mathrm{K}$ reduzieren lässt und der Temperaturgradient um bis zu $9{,}6\,\mathrm{K}$. Der dabei entstehende Druckverlust bleibt mit $600\,\mathrm{Pa} \text{ bis } 800\,\mathrm{Pa}$
vergleichbar zum Referenzdesign.

Die vorgeschlagene Methode erlaubt somit eine effektive und rechenzeiteffiziente thermische Optimierung von EM für den mobilen Einsatz – ohne den Aufwand generativer Topologieoptimierungen. Sie liefert einen systematischen Beitrag zur Steigerung der thermischen Ausnutzung und der realisierbaren Leistungsdichte elektrischer Maschinen in mobilen Arbeitsmaschinen.

The electrification of mobile machines requires electrical machines (EM) with a compact design and high thermal load capacity. However, conventional cooling concepts such as spiral water jackets lead to uneven temperature distributions and local hotspots at the interface between the stator and the cooling jacket, which limit performance.

The aim of this work is to develop an analytically supported method for the targeted distribution of discrete cooling structures (pin fins) within the cooling channel. The basis is a lumped parameter thermal model (LPTM) with axial segmentation, which describes the heat flows at the thermal interface in detail on the basis of spatially and time-resolved loss profiles. ... mehrThese are obtained from typical operating points of two exemplary mobile applications – a hybridized excavator and an electrified multi-purpose transporter.

The calculated heat flows serve as the basis for determining a demand-oriented density distribution of the cooling structures along the axial direction. The resulting cooling structure distributions are validated using CFD in comparison to a conventional cooling spiral design ($\Delta T = 20{.}2\,\mathrm{K}$, $T_\mathit{max} = 80{.}2\,^{\circ}\mathrm{C}$). This shows that the maximum interface temperature can be reduced by up to $18\,\mathrm{K}$ and the temperature gradient by up to $9{.}6\,\mathrm{K}$. The resulting pressure loss remains comparable to the reference design at $600\,\mathrm{Pa} \text{ to } 800\,\mathrm{Pa}$.

The proposed method thus allows an effective and computationally efficient thermal optimization of EM for mobile use - without the effort of generative topology optimizations. It makes a systematic contribution to increasing the thermal utilization and the achievable power density of electrical machines in mobile machines.