Konzeption und Vorversuche für einen kunststoffumspritzten Elektromotor mit innenliegender Statorkühlung

Die vorliegende Arbeit behandelt die Konzeption eines Elektromotors mit innenliegender Statorkühlung zur Steigerung der Dauerleistungsdichte. In den vergangenen Jahren konnte eine Verkehrswende hin zur Elektromobilität beobachtet werden. Eine Herausforderung in der Entwicklung elektrischer Maschinen für Traktionsantriebe liegt in der vergleichsweise geringen Dauerleistungsdichte, welche insbesondere durch die Kühlleistung begrenzt ist. Daher zielen Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerleistungsdichte auf die Entwicklung neuartiger Kühlkonzepte ab. Im Forschungsprojekt PerKuel wird die Umsetzung einer indirekten Nutkühlung an einem Hairpinstator zum Einsatz wasserbasierter Kühlmedien untersucht. Hierzu wird der Stator mit hochwärmeleitfähigem Kunststoff umspritzt, um Kühlkanäle fertigungsgünstig zu integrieren. In dieser Arbeit wird auf Basis thermischer und strömungsmechanischer Analysen ein Kühlkonzept ausgearbeitet zum Erreichen einer Dauerleistungsdichte von 6 kW/kg. Dieses wird zusammen mit weiteren Funktionen in ein Kunststoff-Metall-Hybridgehäuse integriert, sodass eine signifikante Reduktion von Teile- und Montageaufwänden erreicht wird. Abgerundet wird die Arbeit durch die Ableitung von Vorversuchen mit dem Ziel Designgrenzen und die Umsetzbarkeit weiterer Gestaltungsmerkmale an einem generischen Probekörper zu untersuchen.

This thesis deals with the conceptual design of an electric motor with internal stator cooling to increase the continuous power density. In recent years, a shift in traffic towards electric mobility has been observed. A challenge in the development of electric machines for traction drives lies in the comparatively low continuous power density, which is limited in particular by the cooling capacity. Therefore, measures to improve the continuous power density aim at the development of novel cooling concepts. In the PerKuel research project, the implementation of indirect groove cooling on a hairpin stator for the use of water-based cooling media is being investigated. For this purpose, the stator is overmoulded with highly thermally conductive plastic and cooling channels are integrated in the process. In this work, a cooling concept is worked out on the basis of thermal and fluidic analyses to achieve a continuous power density of 6 kW/kg. This is integrated together with other functions in a plastic-metal hybrid housing, so that a significant reduction in parts and assembly costs is achieved. The work is rounded off by the derivation of preliminary tests with the aim of investigating the design limits and feasibility of further design features on a generic test specimen.