Thermisches Verhalten eines Elektromotors

Zum detaillierten Verständnis des thermischen Verhaltens des Antriebsmotors eines Elektrofahrzeugs wurde ein thermisches Modell des Motors erstellt. Die Modelle der Einzelkomponenten sind in der oberen Abbildung dargestellt. Zur eindeutigen Bestimmung der wesentlichen thermischen Koppelparameter erfolgte bereits auf der Basis der Subsysteme Rotor sowie Stator mit Gehäuse jeweils ein Abgleich zwischen transienten Temperaturmessungen und entsprechenden Simulationsergebnissen. Als wesentliche Koppelparameter stellen sich die Kopplungen zwischen den Wicklungen und den Blechpaketen sowie der Presssitz zwischen dem Statorblechpaket und dem Gehäuse heraus.

Zur Bestimmung der thermischen Kopplung zwischen Rotor und Stator erfolgten Strömungssimulationen bei unterschiedlichen Drehzahlen. Wie in der mittleren Abbildung gezeigt, bilden sich bereits bei moderaten Drehzahlen Wirbel aus, die die thermische Kopplung zwischen Rotor und Stator gegenüber einer ungestörten Scherströmung bei der Maximaldrehzahl um etwa den Faktor 5 erhöhen. Diese Strömungsinstabilität wird in der Literatur als Taylor-Wirbel bezeichnet.

Schließlich wurden die Subsysteme zum Gesamtsystem zusammengebaut und es erfolgten wiederum transiente thermische Simulationen. Die simulierten Temperaturverläufe wurden durch Messungen bestätigt. Das untere Bild zeigt den Temperaturverlauf entlang der Radialkoordinate des Motors nach 1h Motorbetrieb. Trotz der durch die Wirbelausbildung verbesserten Kopplung zwischen Rotor und Stator stellt diese weiterhin den größten thermischen Widerstand dar. Dies äußert sich in einer großen Temperaturdifferenz von etwa 50K zwischen Rotor und Stator. Des Weiteren tragen die Kopplung zwischen Rotor und Rotorwicklung, die radiale Wärmeleitung durch den Stator sowie die Presskopplung zwischen Stator und Gehäuse wesentlich zur Maximaltemperatur der Rotorwicklung bei.