Rotorkühlung in hermetisch abgedichteten elektrischen Antriebsmaschinen für die Fahrzeugtechnik

Moderne elektrische Antriebsmaschinen für die Fahrzeugtechnik müssen für den mobilen Einsatz besonders kompakt, leicht und robust gebaut sein, gleichzeitig aber möglichst leistungsstark und effizient über einen weiten Drehzahlbereich arbeiten. Aufgrund der hohen Leistungsdichte kommt einer effektiven Kühlung im Hinblick auf die Funktionssicherheit und die dauerhafte Leistungsfähigkeit eine entscheidende Bedeutung zu. Insbesondere die Wickelköpfe des Stators und der schnelldrehende Rotor zeigen sich typischerweise als die thermisch kritischen Motorkomponenten.
In dieser Arbeit werden die thermischen Herausforderungen moderner elektrischer Antriebsmaschinen unter den speziellen Anforderungen der Fahrzeugtechnik untersucht. Dabei werden die Ursachen für die Erwärmung sowie die interne Temperaturverteilung beleuchtet und die resultierenden Auswirkungen auf das thermische Betriebsverhalten dargelegt. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden mögliche Optimierungsmaßnahmen diskutiert und anschließend die methodische Vorgehensweise bei der technischen Auslegung des Konzepts einer internen Luftkühlung (Umluftkühlung) für den Rotor vorgestellt. Angetrieben von einem Ventilator wird der Rotor dabei durch einen in sich geschlossenen Umluftkreislauf innerhalb des abgedichteten Motorgehäuses gekühlt.
Zur abschließenden Bewertung der Wirksamkeit der Umluftkühlung wurde ein entsprechen-der Prototyp konstruiert und aufgebaut. Der Vergleich zur Referenzmaschine, ohne spezielle Rotorkühlung, in Form von numerischen Simulationen und Prüfstandsmessungen bestätigt, dass sich durch die Umluftkühlung die Rotortemperatur deutlich reduzieren und dadurch die Dauerleistung erheblich steigern lässt. Der Effekt wächst mit der Drehzahl und der dadurch steigenden Förderleistung des Ventilators an. Aufgrund der zusätzlichen Luftreibungsverluste durch den Ventilator leidet indessen der Wirkungsgrad des Motors, was sich durch weitere Optimierung allerdings noch minimieren lässt.