Bearing thermal modelling and lubrication method assessment for electric motors

Abstract

The electrification of drivetrains has driven demand for high power density electric motors, motivating research into integrated cooling and lubrication systems within the DLC for Traction Motors project. This thesis investigates bearing lubrication and cooling as part of a broader effort to develop a novel power-dense traction motor. Specifically, the conditions under which bearing oil lubrication is preferable to conventional grease are investigated. Oil is not desired due to its more complex design, but oil lubrication would enable cooling for the bearing and the possibility to integrate the bearing lubrication system with cooling circuits in the motor.

A thermal model of the bearing was developed in MATLAB Simulink to support oil lubrication design process. The simulation model takes load and angular velocity as inputs and accounts for frictional heat generation, heat convection between solids and liquids, lubricant viscosity, friction coefficient, and component temperatures. The simulation uses a combination of methods, validated where possible against data from the available literature of the methods. The shape of the temperature response was adequate and the steady-state temperature values were found to be reliable, error mostly within ±7 °C. However, the accuracy of simulation response times was insufficient, likely due to uncertainties in the handling of bearing and lubricant parameters. Simulation results show that the bearing's lubrication condition (kappa ratio) improved significantly upon switching from grease to oil or applying cooling to the lubricant. Engineering criteria for lubrication selection was formulated.

Further refinement and testing are required before the tool can be applied with confidence in electric motor design. Once done, the simulation can be used as a practical design aid, providing early-stage insight into bearing thermal behaviour and lubrication condition without the need of an existing prototype.

Ajolaitteiden sähköistyminen on lisännyt kysyntää suuritehoisten sähkömoottoreiden suuntaan, mikä on motivoinut tutkimusta integroitujen jäähdytys- ja voitelujärjestelmien kehittämiseksi DLC for Traction Motors -projektissa. Tässä työssä tutkitaan laakereiden voitelua ja jäähdytystä osana laajempaa pyrkimystä kehittää uudenlainen tehokas sähköajomoottori. Erityisesti tarkastellaan olosuhteita, joissa laakerien öljyvoitelu on suositeltavampaa kuin perinteinen rasvavoitelu. Öljyvoitelua ei usein ole pidetty hyvänä vaihtoehtona sen monimutkaisemman rakenteen vuoksi, mutta öljyvoitelu mahdollistaisi laakereiden jäähdytyksen ja voitelujärjestelmän yhdistämisen moottorin jäähdytyspiireihin.

Laakereiden lämpömalli kehitettiin MATLAB Simulink -ympäristössä tukemaan öljyvoitelun suunnittelua. Simulaatiomallille annetaan kuorma ja kulmanopeus syötteinä ja laskenta ottaa huomioon kitkasta aiheutuvan lämmöntuotannon, lämmön johtumisen kiinteissä ja nestemäisissä komponenteissa, voiteluaineen viskositeetin ja kitkakertoimen sekä komponenttien lämpötilat. Simulaatio käyttää useita menetelmiä, jotka on validoitu mahdollisuuksien mukaan kirjallisuudesta saatavilla olevaa dataa vasten. Lämpötilavasteen muoto oli tyydyttävä ja vakaan tilan lämpötila-arvot osoittautuivat luotettaviksi; virheet pysyivät pääosin ±7 °C:n sisällä. Simulaation vasteaikojen tarkkuus oli kuitenkin riittämätön, mikä johtuu todennäköisesti epävarmuuksista laskentamallin laakeri- ja voiteluaineparametrien käsittelyssä. Simulaation vakaan-tilan perusteella laakerin voiteluolosuhde (kappa suhde) parani merkittävästi, kun rasva vaihdettiin öljyyn tai voiteluainetta jäähdytettiin. Voitelun valinnalle muodostettiin tekniset kriteerit.

Ennen kuin työkalua voidaan luotettavasti soveltaa sähkömoottoreiden suunnittelussa, tarvitaan lisää kehitystä ja testausta. Kun nämä vaiheet on suoritettu, simulaatiota voidaan käyttää apuvälineenä suunnittelussa. Simulaatiolla voitaisiin tarkastella laakerin lämpökäyttäytymistä ja voiteluolosuhteita ilman olemassa olevaa prototyyppiä.