Wärmeübergang bei der Öl-Sprühnebelkühlung von Antriebsmaschinen für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Mit der Öl-Sprühnebelkühlung elektrischer Antriebsmaschinen existiert ein Kühlkonzept, durch welches die temperaturkritischen Komponenten einer Maschine, die Wicklungsenden des Stators, direkt benetzt werden. Als Wicklungsart werden verteilte Runddrahtwicklungen betrachtet. Dabei ist die Sprühnebelkühlung durch eine Kombination druckzerstäubender Vollkegeldüsen mit Getriebeölen als Kühlmedien effizient in das System bestehender Elektro- und Hybridfahrzeuge zu integrieren. Angesichts der maximal zulässigen Dauerbetriebstemperaturen der Isolationslacke und der Sättigungstemperaturen von Automatikgetriebeölen steht der konvektive Wärmetransport der Sprühnebelkühlungssysteme im Vordergrund. ... mehrIn diesem Zusammenhang bedarf der thermische bzw. elektromagnetische Auslegungsprozess Öl-sprühnebelgekühlter elektrischer Maschinen eines genauen Verständnisses des Zusammenhangs zwischen der Wicklungsgeometrie und den thermofluiddynamischen Charakteristika des Sprühstrahlaufpralls. Die bestehende Literatur ist entweder auf ebene, glatte Oberflächen unter Einsatz niedrigviskoser Flüssigkeiten (dynamische Viskosität kleiner 6 mPa∙s) beschränkt oder betrachtet die Sprühnebelkühlung von Statorwicklungsenden mit Runddrähten ausschließlich qualitativ. Eine systematische Untersuchung der individuellen Einflussgrößen und die Entwicklung eines belastbaren Wärmeübergangsmodells ist bislang nicht erfolgt.
Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Versuchsanlage entwickelt, welche eine Bestimmung des lokalen Wärmeübergangs auf Statorwicklungsenden ermöglicht. Das zugrunde liegende modulare Messkonzept basiert auf der geometrischen Rekonstruktion realer Statorwicklungsenden mit verteilten Runddrahtwicklungen. Mit Sprühkammern und einer generischen elektrischen Maschine wird zwischen zwei Messumgebungen unterschieden. Die Sprühkammern erfüllen die Funktion einer Parameterreduktion, durch welche die grundlegenden Abhängigkeiten der Sprühnebelkühlung aufgezeigt wurden. Mit Hilfe der generischen elektrischen Maschine wurde im Anschluss der Einfluss der Maschinenparameter bestimmt. Als Flüssigkeiten wurden ein Getriebeöl vom Typ Dexron ATF VI und wässrige Glyzerinlösungen (Modellfluid) untersucht.
Im Vorfeld der Wärmeübergangsmessungen erfolgte mit den Zerfallsmodi, dem Durchflussverhalten, den Sprühwinkeln, den Zerfallslängen und der räumlichen Flüssigkeitsverteilung eine Bestimmung grundlegender Charakteristika der Sprühstrahlen durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und mechanische Patternatoren. Zur Vorausberechnung aller Größen wurden neue Modellansätze entwickelt.
Durch eine gezielte Variation der Sprühstrahlform beim Aufprall, zwischen dem Flüssigkeitsbogen (Primärzerfall) sowie Ligamenten und Tropfen (Sekundärzerfall), konnte durch die Sprühkammermessungen gezeigt werden, dass der hydrodynamische Zustand der Flüssigkeit einen geringen Einfluss auf die Höhe des konvektiven Wärmeübergangs hat. Als Haupteinflussparameter wurde neben den Stoffeigenschaften der Flüssigkeit die auftreffende Flüssigkeitsmenge identifiziert. Durch die Kombination der Sprühstrahlcharakteristika mit den Messdaten des Wärmeübergangs auf ebenen, glatten Oberflächen ist es gelungen, ein Wärmeübergangsmodell für die Öl-Sprühnebelkühlung zu entwickeln. Das Modell basiert auf den Messdaten des Modellfluids und bildet den gesamten Stoffdatenbereich kommerzieller Getriebeöle (Pr_L=90-340) ab. Durch Berücksichtigung der Oberflächengeometrie verteilter Runddrahtwicklungen im Ausdruck der charakteristischen Flüssigkeitsgeschwindigkeit (Volumenstromdichte) konnte der Modellansatz anschließend auf Statorwicklungsenden übertragen werden.
Innerhalb der generischen elektrischen Maschine wurde der Mehrdüsenbetrieb mit einer axialen Flüssigkeitszufuhr über das Lagerschild und einer radialen Flüssigkeitszufuhr über das Maschinengehäuse untersucht. Für beide Arten der Flüssigkeitszufuhr wurde die Drehzahl der Welle in einem Wertebereich von 0 1/min bis 10 000 1/min variiert, jedoch keine Beeinflussung des Wärmeübergangs im Aufprallbereich der Sprühstrahlen beobachtet. Durch einen Vergleich der Messdaten mit dem zuvor entwickelten Wärmeübergangsmodell konnte ein sogenannter Sumpfeffekt identifiziert werden. Dabei resultiert die Endraumgeometrie mit einer geringen Spaltweite zwischen den Wicklungsenden und dem Gehäuse in einem verschlechterten Flüssigkeitsablauf. In Folge dessen wird durch die erhöhte Filmdicke im Aufprallbereich der Sprühstrahlen der konvektive Wärmeübergang gehemmt. Durch eine Modifikation des Ausdrucks der Volumenstromdichte um einen Hemmungsfaktor ist es gelungen, den Sumpfeffekt auch im Modellansatz zu berücksichtigen.
Durch das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Wärmeübergangsmodell wird eine Optimierung von Öl-Sprühnebelkühlungssystemen elektrischer Maschinen hinsichtlich ihrer Düsenkonfiguration (Düsenmodell, Position, Anzahl), der Betriebsparameter sowie der Stoffdaten des Getriebeöls ermöglicht.

Oil spray cooling of electrical machines is a cooling concept, where the temperature-critical components of a machine, the end windings of the stator are directly wetted by the coolant. Thereby, distributed round wire windings are considered as the winding type in this work. By combining pressure-atomizing full cone nozzles with transmission oils as coolants, spray cooling systems can be efficiently integrated into existing electric and hybrid vehicles. In view of the maximum permissible continuous operating temperatures of the insulating varnishes and the saturation temperatures of automatic transmission oils, the convective heat transfer of the spray cooling systems is of primary importance. ... mehrIn this regard, the thermal/electrical design process for oil spray cooled electrical machines requires a precise understanding of the relationship between the winding geometry and the thermo-fluid dynamic characteristics of the spray impact. The existing literature is either limited to plain surfaces using low-viscosity liquids (dynamic viscosity less than 6 mPa∙s) or considers the spray cooling of stator end windings with round wires only qualitatively. A systematic investigation of the individual influencing factors and the development of a reliable heat transfer model has not yet been carried out.
Against this background, a test rig was developed with which the local heat transfer on stator end windings can be determined. The underlying modular measurement concept is based on the geometric reconstruction of real stator end windings with distributed round wire windings. Spray chambers and a prototype electrical machine are used as measurement environments. The spray chambers serve to reduce the influencing parameters, thereby revealing the fundamental dependencies of the spray cooling heat transfer. The prototype electrical machine was then used to determine the influence of the machine parameters. As coolants, a Dexron ATF VI transmission oil and aqueous glycerol solutions (model fluid) were investigated.
Prior to the heat transfer measurements, the basic characteristics of the conical sprays were determined using high-speed recordings and mechanical patternators. The disintegration modes, flow coefficients, spray angles, breakup lengths, and spatial liquid distributions were determined, and new model approaches for predicting these quantities developed.
By varying the spray shape on impact, between the liquid sheet (primary breakup) and ligaments and droplets (secondary breakup), it is shown that the hydrodynamic state of the liquid has little influence on the convective heat transfer. The most important influencing parameters were identified as the material properties of the liquid and the amount of liquid impacting the surface. By combining the spray characteristics with the heat transfer data on plain surfaces, a heat transfer model for oil spray cooling was developed. The model is based exclusively on the measurement data of the model fluid and covers the entire material property range of commercial transmission oils (Pr_L=90-340). By incorporating the surface geometry of distributed round wire windings in the expression of the characteristic liquid velocity (volumetric flux), the heat transfer model was successfully transferred to stator end windings.
Within the prototype electrical machine, multi-nozzle operation with axial liquid supply via the bearing shield or radial liquid supply via the machine housing was investigated. For both types of liquid supply, the rotational speed was varied in a range from 0 rpm to 10 000 rpm, but no influence on the heat transfer in the impact area of the sprays was observed. By comparing the measurement data with the previously developed heat transfer model, a so-called sump effect was identified. In this regard, the end space geometry, with a small gap between the winding ends and the housing, impairs the liquid flow. As a result, the increased film thickness in the impact area of the sprays inhibits the convective heat transfer. By modifying the expression of the volumetric flux to include an inhibition factor, it was possible to consider the sump effect in the model approach.
The heat transfer model developed in this work enables the optimization of oil spray cooling systems for electrical machines with regard to their nozzle configuration (nozzle model, position, number), process parameters and the material properties of the transmission oil.