Electric Drive Units (EDUs) sind das Herzstück moderner Elektrofahrzeuge und vereinen den Elektromotor und das Getriebe in einem einzigen, kompakten System. Diese Einheiten sind entscheidend für die Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit, die von Elektroautos erwartet werden.
Eine zentrale Herausforderung bei der Konstruktion von EDUs ist die Gewährleistung einer wirksamen Schmierung. Eine ordnungsgemäße Schmierung minimiert die Reibung, verringert den Verschleiß der Komponenten und trägt zur Wärmeableitung bei, was alles für die Langlebigkeit und Effizienz des Systems entscheidend ist. Da EDUs mit hohen Geschwindigkeiten und unter wechselnden Lasten betrieben werden, ist die Optimierung der Schmierung von entscheidender Bedeutung, um Spitzenleistungen zu erzielen und gleichzeitig strenge Anforderungen an die Haltbarkeit zu erfüllen.
Dieser Simulationsfall untersucht das Verhalten der Schmierung innerhalb einer EDU und konzentriert sich darauf, wie das Öl unter realistischen Betriebsbedingungen verteilt wird und mit kritischen Komponenten interagiert.
Ziel von Teil II: Untersuchung der für die Schmierung kritischen Bereiche des E-Motors
Der Schwerpunkt der Teile II und III liegt auf der Analyse der Schmierung in den beiden Hauptbereichen der Electric Drive Unit (EDU): dem E-Motor und dem Getriebe. Obwohl sie in einer einzigen umfassenden Simulation behandelt wird, ermöglicht die Aufteilung der Studie in diese Teile klarere Erkenntnisse und eine geringere Komplexität.
Teil II befasst sich speziell mit dem E-Motor, der kritische Komponenten wie den Rotor, die Wicklungen (WDG) und den Stator umfasst. Im Gegensatz zum Getriebe, wo die Schmierung in erster Linie die Reibung und den Verschleiß minimiert, besteht die Hauptfunktion des Schmiermittels im E-Motor in der Wärmeableitung. Um dies zu bewerten, konzentriert sich die Simulation auf die Überwachung der Ölbedeckungsraten in kritischen Bereichen und die Analyse des Strömungsverhaltens durch strategisch platzierte Probenfenster. Diese Messungen liefern wertvolle Erkenntnisse über die Fähigkeit des Schmierstoffs, die Wärme in diesem Bereich effektiv abzuleiten.
Fallbeschreibung
Der allgemeine Aufbau der EDU-Simulation ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Um Überschneidungen zu vermeiden, wird in diesem Teil ausschließlich der Bereich E-Motor beschrieben. Eine ausführliche Erläuterung des Übertragungsaufbaus finden Sie in Teil III .
Die Simulation umfasst acht Einlässe, die jeweils einem Kanal innerhalb des Rotors entsprechen. Die Durchflussmengen für diese Einlässe werden aus den Ergebnissen in Teil I. abgeleitet:
- Probe 1: 1,15 l/min
- Probe 2: 1,80 l/min
- Probe 3: 1,25 l/min
- Probe 4: 1,80 l/min
Die Einlässe sind mit einem einzigen Auslass verbunden (in der Abbildung als roter Kasten hervorgehoben). Mit diesem Aufbau wird sichergestellt, dass die Flüssigkeit das Berechnungsgebiet durch den Auslass mit einer Durchflussrate von 12 l/min verlässt. Die Flüssigkeit wird dann recycelt und neu auf die Einlässe verteilt, um die vordefinierten Durchflussraten aufrechtzuerhalten.
Wie in Teil I beträgt die Enddrehzahl des Rotors 2000 RPM. Der einzige Unterschied besteht darin, dass er innerhalb von 0,2 Sekunden hochfährt.
Die zur Überwachung der Simulation verwendeten Probenfenster sind in der folgenden Abbildung dargestellt:
Es wurde eine Partikelgröße von 0,064 mm und eine Gesamtpartikelzahl von etwa 5 Millionen Partikeln verwendet. Die anfängliche Partikelverteilung ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt:
Ergebnisse
Lager
Das Verhalten der beiden Rotorlager wird im Folgenden anhand von Diagrammen analysiert, die das Schmierverhalten im Laufe der Zeit veranschaulichen.
Lager 2 (Diagramm auf der linken Seite):
- Ein stationärer Zustand wird nach etwa 1 Sekunde erreicht.
- Im Lager sind stets etwa 2,25 ml Schmiermittel zur Schmierung vorhanden.
- Die Durchflussmenge in und aus dem Lager stabilisiert sich bei etwa 2,5 l/min.
Lager 1 (Diagramm rechts):
- Ein stabiler Zustand wird nach etwa 3 Sekunden erreicht.
- Etwa 8 ml Schmiermittel sind ständig im Lager zur Schmierung vorhanden.
- Die Durchflussmenge in und aus dem Lager stabilisiert sich bei etwa 5 l/min.
Die folgenden gerenderten Bilder zeigen den Zustand von Lager 2 (links) und Lager 1 (rechts) nach 5 Sekunden Simulation:
Wicklung
- Das folgende Diagramm zeigt die Durchflussmenge in und aus der Probe in der Wicklung.
- Nach 5 Sekunden haben sich Zu- und Abfluss nahezu ausgeglichen.
- An diesem Punkt beträgt der Zufluss etwa 27,5 l/min, während der Abfluss 26,5 l/min beträgt, was auf eine leichte Flüssigkeitsansammlung in diesem Bereich hinweist. Dies deutet darauf hin, dass die Simulation in diesem Bereich noch nicht vollständig in einem stationären Zustand angekommen ist.
- Das Schmiermittelvolumen in der Probe beträgt etwa 250 ml, was bedeutet, dass die Flüssigkeit statistisch gesehen zwei Mal pro Sekunde ausgetauscht wird.
Analyse der Durchflussmenge der Wicklungs Probe, die die Entwicklung der Zu- und Abflüsse im Laufe der Zeit zeigt.
Gerenderte Bilder der Flüssigkeitsverteilung in der Wicklung
Die nachstehenden gerenderten Bilder geben einen Einblick in die Flüssigkeitsverteilung und die Bedeckungsrate in der Wicklung nach 5 Sekunden der Simulation:
- Linkes Bild: Die Flüssigkeitsverteilung im Bereich der Wicklung ist zur besseren Veranschaulichung mit ausgeblendeter Wicklung dargestellt.
- Rechtes Bild: Die Wicklung wird angezeigt, wobei die Flüssigkeit ausgeblendet ist, und die zeitgemittelte Bedeckungsrate (Mittelungszeit: 1 Sekunde) wird auf der Oberfläche der Wicklung eingeblendet.
Schlüsselbeobachtungen:
- Die Flüssigkeit befindet sich hauptsächlich in den Zwischenräumen zwischen den Rippen der Wicklung.
- Die höchsten Bedeckungsraten werden an den Enden der Wicklungen beobachtet, wo die Flüssigkeit direkt vom Rotor versprüht wird.
Zusammenfassung
Diese Fallstudie konzentriert sich auf die Analyse des Schmierverhaltens innerhalb des E-Motors einer elektrischen Antriebseinheit (EDU), einer kritischen Komponente moderner Elektrofahrzeuge. Die Studie zielt darauf ab, die Schmierung für eine effektive Wärmeableitung zu simulieren und die Haltbarkeit und Effizienz des Systems zu gewährleisten.
Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören:
- Lager: Beide Rotorlager erreichen eine stationäre Schmierung, wobei sich Lager 2 bei einem Zufluss von 2,5 l/min und Lager 1 bei 5 l/min stabilisiert. Das Schmiermittelvolumen von 2,25 ml bzw. 8 ml gewährleistet eine gleichbleibende Schmierung unter Betriebsbedingungen.
- Wicklung: Die Flüssigkeitsverteilung zeigt die Lücken zwischen den Wicklungsrippen als Hauptansammlungspunkte, mit der höchsten Bedeckung an den Wicklungsenden. Hier trifft das Rotor-Öl direkt auf. Das Schmiermittel wird zweimal pro Sekunde ausgetauscht, was eine effiziente Kühlung und Wärmeableitung gewährleistet.
Durch den Einsatz von hochauflösenden Simulationen und strategisch platzierten Probenfenstern liefert die Studie wertvolle Erkenntnisse über das Schmierverhalten in kritischen Bereichen von E-Motoren. Dieses Wissen unterstützt die Entwicklung von effizienteren und zuverlässigeren EDUs und trägt zu einer verbesserten Leistung und Haltbarkeit von Elektrofahrzeugen bei.
