Investigation of Flows in Air Gaps of Electric Motors with Direct Liquid Cooling

In this dissertation, the flow in the air gap between a concentric rotor and stator is experimentally investigated by applying advanced laser and torque measurement techniques. Such air gaps are part of motors of electric cars, which are considered a vital part in reducing greenhouse gas emissions in the transport sector. Electric motors require cooling for efficient operation. A common cooling strategy is direct liquid cooling. The flow processes of the two-phase flow generated in the air gap when liquid coolant enters the gap and their effect on the motor’s power loss need to be understood and therefore investigated. Thus, a systematic study is conducted with increasingly complex setups of optically accessible models of an electric motor (Generic and Realistic Model) regarding geometric features, liquid injection, and operating conditions like rotational speeds, volume flow rates, or temperatures.

The single-phase air in the annular gap (radius ratio 0.99, aspect ratio 100) of the simplified Generic Model is investigated using particle image velocimetry (PIV) at rotational speeds from 100 rpm to 2000 rpm (gas Reynolds numbers ReG 52 to 1035). The flow regimes observed are found to develop similar to those described in literature. The single-phase flow determines the initial condition for the subsequent two-phase flow investigation.

In a phenomenological study, a liquid is injected into the air gap of the Generic Model using a lance to model direct liquid cooling. The annular gap and a similar gap with axial grooves in the stator are investigated at different rotational speeds (100 rpm to 2000 rpm) and liquid volume flow rates (0.26 l/min to 0.72 l/min). The rotational speed has the greatest influence on the three classified main two-phase flow regimes.

The two-phase flow in the air gap with grooves of the Generic Model is investigated at a volume flow rate of 0.5 l/min and rotational speeds from 100 rpm to 2000 rpm, using high-speed laser-induced fluorescence (LIF) imaging. LIF, enabled by the fluorescing liquid, allows the distinction of both phases in the flow and the detailed study of the flow regimes. Additionally, torque measurements are performed, from which the power loss due to the injected liquid is calculated. The power loss can be linked to the flow regimes.

The two-phase flow in the air gap of the Realistic Model is investigated by including realistic component geometries, liquid injection system, cooling liquid, and the variation of the rotational speed (2000 rpm to 10 000 rpm, ReG 931 to 4656), volume flow rate (1 l/min to 6 l/min), liquid temperature (20 °C to 80 °C), and operational mode. During operation, a liquid film is formed on the stator. The flow phenomena of this film are analyzed utilizing high-speed LIF recordings. An intensity-based LIF film thickness measurement technique is developed, calibrated, and applied in the air gap. The most influential factors on the flow phenomena and the film thickness are rotational speed, volume flow rate, and, in certain cases, the operational mode. The power loss, calculated from torque measurements, increases with rotational speed, but its magnitude is low compared to other types of losses and the power output of a passenger car’s electric motor.

The analysis of the single and two-phase flow in the air gap provides new insight into the flow processes and the associated power losses. The results are important for the development of electric motors with direct liquid cooling and allow the validation of numerical simulations.

In dieser Arbeit wird die Strömung im Luftspalt zwischen einem Rotor und konzentrischen Stator mit fortschrittlicher Lasermesstechnik und Drehmomentmessungen experimentell untersucht. Solche Luftspalte sind Teil von Motoren von Elektroautos, die als wesentlicher Faktor für die Verringerung der Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor gelten. Elektromotoren müssen für einen effizienten Betrieb gekühlt werden. Eine gängige Kühlstrategie ist die direkte Flüssigkeitskühlung. Die Strömungsprozesse in der im Luftspalt durch eindringende Kühlflüssigkeit entstehenden Zweiphasenströmung und ihr Effekt auf die Motorverluste müssen verstanden und daher untersucht werden. Hierfür wird eine systematische Studie mit zunehmend komplexerem Aufbau von optisch zugänglichen Elektromotormodellen (Generisches und Realistisches Modell) bezüglich Geometrie, Flüssigkeitseinspritzung und Betriebsbedingungen wie Drehzahl, Volumenstrom oder Temperatur durchgeführt.

Die Einphasenströmung der Luft im Ringspalt eines vereinfachten Generischen Modells (Radienverhältnis 0.99, Aspektverhältnis 100) wird mit Particle Image Velocimetry (PIV) bei Drehzahlen von 100 rpm bis 2000 rpm untersucht (Gas-Reynoldszahlen ReG 52 bis 1035). Die beobachteten Strömungsregime entwickeln sich gemäß der Literatur. Die Einphasenströmung bestimmt die Anfangsbedingungen für die folgende Zweiphasenströmungsuntersuchung.

In einer phänomenologischen Studie wird eine Flüssigkeit durch eine Lanze auf den Luftspalt des Generischen Modells gespritzt, die eine direkte Flüssigkeitskühlung modelliert. Der Ringspalt und ein ähnlicher Spalt mit axialen Statornuten werden bei verschiedenen Drehzahlen (100 rpm bis 2000 rpm) und Volumenströmen (0.26 l/min bis 0.72 l/min) untersucht. Die Drehzahl hat den größten Einfluss auf die drei klassifizierten primären Zweiphasenströmungsregime.

Die Zweiphasenströmung im Luftspalt mit Nuten des Generischen Modells wird mit einem Flüssigkeitsvolumenstrom von 0.5 l/min bei Drehzahlen von 100 rpm bis 2000 rpm mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) untersucht. Die fluoreszierende Flüssigkeit ermöglicht LIF-Untersuchungen, welche die Unterscheidung beider Phasen in der Strömung erlaubt. Die Strömungsregime werden im Detail analysiert. Mittels Drehmomentmessungen wird die Verlustleistung durch die eingebrachte Flüssigkeit berechnet, welche mit den Strömungsregimen verknüpft werden kann.

Die Zweiphasenströmung im Luftspalt des Realistischen Modells wird unter Verwendung realistischer Bauteilgeometrien, Flüssigkeitseinspritzung, Kühlflüssigkeit und mit der Variation der Drehzahlen (2000 rpm bis 10 000 rpm, ReG 931 bis 4656), Volumenströmen (1 l/min bis 6 l/min), Flüssigkeitstemperaturen (20 °C bis 80 °C) und Betriebsmodi untersucht. Während des Betriebs bildet sich ein Flüssigkeitsfilm auf dem Stator. Die Strömungsphänomene dieses Films werden mittels LIF-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen analysiert. Eine intensitätsbasierte LIF-Filmdickenmesstechnik wird entwickelt, kalibriert und im Luftspalt angewandt. Die größten Einflussfaktoren auf die Strömungsphänomene und die Filmdicken sind die Drehzahl, der Volumenstrom und in speziellen Fällen der Betriebsmodus. Die aus Drehmomentmessungen berechnete Verlustleistung steigt mit der Drehzahl, ist aber im Vergleich zu anderen Verlustarten und zur Nennleistung eines Elektromotors eines Personenkraftwagens gering.

Die Analyse der Ein- und Zweiphasenströmung im Luftspalt gibt neue Einblicke in die Strömungsprozesse und damit verbundene Verlustleistungen. Die Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung von Elektromotoren mit direkter Flüssigkeitskühlung und ermöglichen die Validierung numerischer Simulationen.