Simcenter STAR-CCM+ 2606: Leitfaden zur eMotorkühlung

ChampionXperience Team

9. Juli 2026 5 Minuten Lesezeit

Haben Sie schon einmal ein Elektrofahrzeug beim Anfahren beobachtet? Das sofortige Drehmoment ist atemberaubend, doch hinter dieser lautlosen Beschleunigung verbirgt sich eine enorme technische Herausforderung: die Wärmeentwicklung. Da bei Elektroantrieben immer höhere Leistungsdichten und geringere Gewichte angestrebt werden, ist die Kontrolle der thermischen Belastung zum entscheidenden Faktor für die Langlebigkeit und Leistung des Antriebsstrangs geworden.

Öl dient nicht mehr nur als Schmiermittel für den reibungslosen Lauf von Zahnrädern. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und spezifischen Wärmekapazität fungiert es als wichtiges dielektrisches Kühlmittel, das direkt auf die heißesten Motorteile gesprüht wird. Die Simulation dieser komplexen, hochfrequenten fluid-thermischen Wechselwirkungen war bisher eine rechenintensive Aufgabe. Daher ist die Veröffentlichung von Simcenter STAR-CCM+ 2606 ein Meilenstein für Simulationsingenieure.

Der Kampf mit hohem Einsatz gegen die eMotor-Hitze

Elektromotoren sind zwar unglaublich effizient – sie wandeln oft über 94 % der elektrischen Energie in mechanische Leistung um –, doch der verbleibende Anteil geht als Wärme verloren. Bei einem 200-kW-Motor sind das etwa 12 kW Abwärme, die sich in einem kompakten Gehäuse konzentrieren. Wird diese Wärmeenergie nicht abgeführt, drohen schwerwiegende Folgen. Übermäßige Temperaturen schädigen die Kupferwicklungsisolierung, erhöhen den elektrischen Widerstand (was wiederum zu weiterer Wärmeentwicklung führt) und verringern dauerhaft die Flussdichte der Rotormagnete.

Diese Hitze hat ihren Ursprung in zwei Hauptursachen:

Joulesche Verluste: Sie entstehen, wenn elektrischer Strom durch die Kupferwicklungen fließt. Da diese Verluste quadratisch mit dem Strom skalieren, steigen sie bei starker Beschleunigung oder beim Abschleppen rapide an.
Eisenverluste: Verursacht durch Wirbelströme und magnetische Hysterese innerhalb der Stator- und Rotorkerne, wenn diese schnell wechselnden Magnetfeldern ausgesetzt sind.

Um dem entgegenzuwirken, verwenden Ingenieure stationäre und rotierende Düsen, um dielektrisches Öl direkt auf die Wicklungsenden zu sprühen. Die genaue Vorhersage des Beschichtungs-, Haftungs- und Abkühlungsprozesses dieses Öls war jedoch aufgrund der stark unterschiedlichen Zeitskalen schon immer äußerst schwierig. Öltröpfchen bewegen sich in Millisekunden, das Erreichen des thermischen Gleichgewichts kann aber Minuten dauern.

Warum die traditionelle Simulation an ihre Grenzen stieß

Die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) ist ein brillanter, gitterfreier Ansatz zur Erfassung heftiger, spritzender Flüssigkeitsströmungen in komplexen Geometrien. Doch bei der Berechnung des konjugierten Wärmetransports (CHT) gestaltete sich der Arbeitsablauf kompliziert.

Ingenieure waren gezwungen, auf rechenintensive hybride Mehrphasenmodelle zurückzugreifen oder Daten manuell zuzuordnen. Dies bedeutete, eine Strömungssimulation durchzuführen, Wärmeübergangskoeffizienten (HTCs) manuell zu exportieren und diese in einen separaten thermischen Solver zu importieren. Wollte man eine Designstudie mit Dutzenden von Iterationen durchführen, wurde diese Skripterstellung und der manuelle Datentransfer zu einem mühsamen, fehleranfälligen Engpass, der die Entwicklungszyklen verlangsamte.

Der Wendepunkt: Direkte SPH-Energielöser-Kopplung

Siemens hat diesen Engpass in Simcenter STAR-CCM+ 2606 gelöst , indem der gitterfreie SPH-Solver direkt mit dem Energie-Solver für die CHT-Simulation in einer einzigen, einheitlichen Umgebung gekoppelt wurde.

Sie können nun die Temperaturentwicklung von Fluiden, den Wärmeübergang an Wänden und Temperaturänderungen in Festkörpern gleichzeitig modellieren – ganz ohne Exportskripte. Darüber hinaus ermöglicht die neue Version die direkte Abbildung von Finite-Volumen-Strömungsfeldern (FV) auf SPH-Simulationen als Hintergrundbedingungen mit vollständiger Widerstandskopplung. So können Sie die Auswirkungen von Windwiderstand und turbulenter Luftströmung auf Ihre Ölsprays mit höchster Zuverlässigkeit erfassen.

Simulationsaspekt	Traditionelles mehrphasiges / manuelles Mapping	Simcenter STAR-CCM+ 2606 SPH-CHT
Workflow-Einrichtung	Fragmentiert; erfordert benutzerdefinierte Skripte oder manuelle HTC-Exporte.	Vereinheitlicht; vollständig in eine einzige Umgebung integriert.
Zeitmanagement	Extrem langsame oder stark vereinfachte Näherungen.	Gestaffelte Fluid-/Thermo-Solver über Simulationsoperationen.
Wechselwirkung des Luftstroms	Aufgrund der Komplexität des Netzes wird es oft ignoriert oder vereinfacht dargestellt.	Vollständige Widerstandskopplung mit den Hintergrundströmungsfeldern (FV).
Geometrische Veränderungen	Erfordert für jede Designänderung ein zeitaufwändiges Neuvernetzen.	Netzlos; schnelle Geometrieaktualisierungen und rasche Iterationen.

Schließen des Regelkreises mit elektromagnetischer Multiphysik

In der Realität treten thermische und elektrische Eigenschaften nicht isoliert auf. Eisen- und Joulesche Verluste sind stark temperaturabhängig; mit steigender Temperatur des Motors sinkt sein elektrischer Wirkungsgrad, wodurch sich die Wärmesignatur verändert.

Mit Simcenter STAR-CCM+ 2606 können Sie den integrierten elektromagnetischen Solver (EMAG) aktivieren und direkt in Ihre Simulationsschleife einbinden . Während das Öl die Wicklungen kühlt, aktualisiert die Simulation dynamisch die temperaturabhängigen Verluste. Diese geschlossene Mehrphysiksimulation bietet eine beispiellose Genauigkeit bei transienten thermischen Belastungsfällen, wie beispielsweise der Fahrt eines schwer beladenen Fahrzeugs einen steilen Gebirgspass hinauf.

Optimieren Sie jeden Tropfen mit Simcenter HEEDS

Da Leichtbau einen möglichst geringen Ölverbrauch erfordert, muss jeder Tropfen Kühlmittel maximal effizient arbeiten. Sobald Sie Ihr gekoppeltes SPH-Wärmemodell eingerichtet haben, können Sie Ihre Konstruktion problemlos parametrisieren.

Durch die Anpassung der Anzahl, des Durchmessers, des Winkels und des Durchflusses der Öldüsen lässt sich das Benetzungsverhalten der Endwicklungen optimieren. Da SPH netzfrei arbeitet, entfällt für diese geometrischen Anpassungen die aufwendige manuelle Netzgenerierung. Sie können Ihr Modell direkt in Simcenter HEEDS , um die Designexploration zu automatisieren und die Software die optimale Düsenkonfiguration zur Maximierung des Wärmeübergangs ermitteln zu lassen.

Die Integration der direkten thermischen Kopplung in SPH stellt einen gewaltigen Fortschritt für die Entwicklung von Elektroantrieben dar. Sie beseitigt die mühsamen Programmierhürden und ermöglicht es den Ingenieuren, sich auf ihre Kernkompetenz zu konzentrieren: die Entwicklung schnellerer, effizienterer und zuverlässigerer Maschinen.

Wie geht Ihr Team aktuell mit den komplexen Herausforderungen der Elektromotorkühlung um? Sind Sie bereit, die manuelle Wärmeübergangskoeffizientenmessung hinter sich zu lassen und einen vollständig gekoppelten, gitterfreien Workflow einzuführen? Teilen Sie uns Ihre Gedanken in den Kommentaren unten mit!

Dieser Leitfaden basiert auf Erkenntnissen aus dem offiziellen Siemens- Blog .