Entwicklung einer permanenterregten Axialflussmaschine mit direkter Wicklungskühlung für einen 48V-Mild-Hybrid Antriebsstrang

Abstract

The 48V electrical system allows to hybridise existing vehicle platforms at low cost, using emachines with up to 30 kW power. At the Institute of Powertrains and Automotive Technology of the Vienna University of Technology, together with Miba eMobility, a compact axial flux machine (PMSM) with high torque density was developed, which was designed to be used as a traction motor in a P2-Mild-Hybrid System. The main focus was on the realisation of a stator cooling system in which the copper windings are directly immersed in the cooling medium water-glycol. This enables the integration into the cooling circuit of the combustion engine as well as a significantly higher performance and overload capability compared to conventional electric machines with jacket cooling. To determine the e-motor specifications, in the vehicle simulation model e-motor parameters and cooling variants as well as the hybrid topology were varied and evaluated for their effects on the fuel consumption. During the development of the cooling concept, the flow of the coolant within the stator was defined and ageing tests were carried out, especially for the selection of a water-glycol resistant winding wire. The direct winding cooling was investigated in stationary measurements and in dynamic driving cycles (WLTC, RTS95) on the electric motor test bench. It could be shown that the novel liquid cooling has a superior cooling performance compared to a conventional jacket cooling. Due to the outstanding heat dissipation properties of the direct water-glycol cooling, a compact machine design can be realised and in terms of fuel consumption reduction, the thermally unrestricted potential of the 48V-Mild-Hybrid System can be used.

Das 48V-Bordnetz erlaubt es bestehende Fahrzeugplattformen mit geringem Kosteneinsatz zu hybridisieren, dabei kommen E-Maschinen mit bis zu 30 kW Leistung zum Einsatz. Am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien wurde gemeinsam mit Miba eMobility eine kompakte Axialflussmaschine (PMSM) mit hoher Drehmomentdichte entwickelt, die als Traktionsantrieb für ein P2-Mild-Hybrid System konzipiert wurde. Hauptaugenmerk wurde dabei auf die Realisierung einer Statorkühlung gelegt, bei welcher die Kupferwicklungen direkt vom Kühlmedium Wasser-Glykol umspült werden. Dadurch wird die Einbindung in den Verbrennungsmotor- Kühlkreislauf ermöglicht sowie eine signifikant höhere Auslastung und Überlastfähigkeit im Vergleich zu konventionellen EMaschinen mit Mantelkühlung erreicht. Zur Festlegung der E-Maschineneckdaten wurden im Fahrzeugsimulationsmodell EMotorparameter und - kühlungsvarianten sowie die Hybridtopologie variiert und hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch bewertet. Im Zuge der Kühlkonzeptentwicklung wurde die Strömungsführung des Kühlmittels innerhalb des Stators festgelegt und Alterungsuntersuchungen, unter anderem zur Auswahl eines Wasser-Glykol beständigen Wicklungsdrahts, durchgeführt. Die direkte Wicklungskühlung wurde am E-Motorprüfstand sowohl in stationären Messungen, als auch in dynamischen Fahrzyklen (WLTC, RTS95) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die neuartige Flüssigkeitskühlung gegenüber einer herkömmlichen Mantelkühlung eine weit überlegene Kühlleistung aufweist. Aufgrund der hervorragenden Entwärmungseigenschaften der direkten Wasser-Glykol-Kühlung lässt sich ein kompaktes Maschinendesign realisieren und das thermisch nicht eingeschränkte Potential des 48V Mild-Hybrid Systems hinsichtlich Kraftstoffeinsparung ausnutzen.