Entwicklung SPH-basierter numerischer Methoden zur thermischen Analyse ölgekühlter elektrischer Maschinen

von Felix Klos

198 Seiten, Taschenbuch

Kurzbeschreibung des Verlags

Zur Erfüllung steigender Anforderungen an Leistungsdichte und Effizienz rücken direkte Ölkühlungskonzepte in den Fokus elektrischer Antriebe. Ihre gezielte Auslegung in frühen Entwicklungsphasen erfordert den Einsatz numerischer Simulationsmethoden. Die Simulation direkter Ölkühlungen stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar, da sowohl die freie Oberflächenströmung des Kühlöls als auch der Wärmeübergang an bewegten und geometrisch komplexen Festkörperstrukturen präzise vorhergesagt werden müssen. Partikelbasierte CFD-Verfahren wie Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) eignen sich besonders zur Modellierung freier Oberflächenströmungen sowie komplexer, bewegter Geometrien. Da der Einsatz von SPH in thermischen Anwendungen bislang noch nicht umfassend erforscht ist, bildet er den Gegenstand dieser Arbeit. Die vorliegende Dissertation hat das Ziel, numerische Methoden zur thermischen Analyse ölgekühlter elektrischer Maschinen zu entwickeln, bei denen SPH zum Einsatz kommt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Methode zur effizienten und präzisen Berechnung der dreidimensionalen stationären Temperaturverteilung in solchen Maschinen. Darüber hinaus wird eine automatisierte, simulationsgestützte Methodik zur Generierung von Surrogatmodellen entwickelt, mit dem Ziel, den Wärmeübergang ölgekühlter Komponenten über den gesamten Betriebsbereich elektrischer Maschinen präzise vorherzusagen. Für die Berechnung der stationären Temperaturverteilung im dreidimensionalen Raum wird eine partitionierte Conjugate Heat Transfer (CHT)-Methode entwickelt. Eine Besonderheit der Methode liegt in der gekoppelten Verwendung eines partikelbasierten CFD-Solvers, dem SPH-Verfahren, zur Lösung der Strömungsgleichungen sowie eines netzbasierten Solvers zur Berechnung der Wärmeleitung im Festkörper. Anhand numerischer Untersuchungen wird die Eignung des in dieser Arbeit eingesetzten SPH-Verfahrens für den Einsatz in CHT-Methoden belegt. Es kann gezeigt werden, dass sowohl die zeitliche Entwicklung der Ölbenetzung als auch der resultierende Wärmeübergang an ölgekühlten Bauteiloberflächen zuverlässig vorhergesagt werden können. Zur Validierung der CHT-Methode wird ein experimenteller Grundlagenversuch zur Ölstrahlkühlung konzipiert und durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Temperaturen bei gleichzeitig geringer Rechenzeit. Darüber hinaus wird die Methode auf die Temperaturberechnung einer ölgekühlten elektrischen Maschine im Dauerbetrieb angewendet. Die berechneten Temperaturfelder erweisen sich als physikalisch plausibel, und der Vergleich mit experimentellen Messdaten bestätigt eine gute Übereinstimmung bei moderatem Rechenaufwand. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit der entwickelten CHT-Methode thermische Hotspots in ölgekühlten elektrischen Maschinen unter Dauerbetriebslast zuverlässig und effizient identifizieren lassen. Damit leistet die Methode einen wichtigen Beitrag zur thermischen Auslegung solcher Maschinen.

• Reihe: Berichte des Instituts für Mechanik
• Themen: Technologie, Ingenieurswissenschaft, Landwirtschaft, Industrieprozesse Maschinenbau und Werkstoffe Maschinenbau
• ISBN: 9783737612593
• Sprache: Deutsch
• Erscheinungsdatum: 23.02.2026
• Größe: 21 x 14.8 cm
• Verlag: Kassel University Press