MA – Thermisches Management von Leistungselektronik über CFK-Strukturen in Multicoptern
Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Kühlkonzept für Multirotorsysteme entwickelt, gefertigt und thermisch charakterisiert. Die durch gezielte Kombination von Verbundmaterialien erreichte Kühlwirkung ist ausreichend, um die verwendete Leistungselektronik auch in ausgewählten Lastfällen konstant im thermischen Betriebsbereich zu betreiben. Im Vergleich zu konventionellen Kühlsystemen, die primär Aluminiumkühlkörper als Wärmesenke nutzen, wird mit dem entwickelten Konzept eine Gewichtsersparnis von 54,93 % erreicht.
Aus der Untersuchung von CFK-Laminaten mittels LFA-Messung und anhand des Abgleichs eines Prüfstands mit einem Simulationsmodell konnte die Wärmeleitfähigkeit der am Motorhalter verwendeten Komposite realitätsnah ermittelt werden. Das zur Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit gebräuchliche Lewis/Nielsen- konnte die Messergebnisse senkrecht zur Faserrichtung von unidirektionalen Gelegen nachbilden. Durch die Verwendung des Modells lässt sich die Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit für nachfolgende Projekte somit deutlich vereinfachen. Parallel zur Faser wurde die Gültigkeit des Lewis/Nielsen-Modells hingegen widerlegt.
Mithilfe der gewonnenen Daten konnte mit SolidWorks ein thermisches CFD-Simulationsmodell des Leitwerksträgers erzeugt werden, welches ausgewählte stationäre Lastfälle qualitativ abbilden kann. Der Vergleich verschiedener Konzepte zeigt, dass die Entwärmung über CFK-Strukturen mittels Graphitfolie für den Einsatz in Multikoptern geeignet ist.
Das in SolidWorks vereinfachte CFD-Modell wurde mit einer kombinierten FEM- und CFD-Simulation in Ansys unter Berücksichtigung der anisotropen Materialeigenschaften von CFK und Graphit erfolgreich verifiziert.
Der dargestellte Fertigungsprozess beschreibt detailliert die Herausforderungen der Anbindung der Graphitschicht an CFK und präsentiert eine zuverlässige Lösung zur Integration von Graphitfolien in einem einzigen Laminier-Schritt. Zudem wird eine Möglichkeit gezeigt, elektronische Komponenten mittels thermischem Vergussmaterial ohne zusätzliche Befestigungselemente auf dem Laminat zu verkleben. Durch die Nutzung von additiv gefertigten Formbauteilen ist das Konzept schnell und kostengünstig an neue Drohnenprototypen anpassbar.
Neben der Energieersparnis durch die reduzierte Startmasse wird auch eine Emissionsreduzierung im Fertigungsprozess erzielt. Die durchgeführte Lebenszyklusanalyse charakterisiert die Reduktion der Treibhausgasemissionen mit 12,66 %. Dies ist, insbesondere auf die Vermeidung von energieintensivem Aluminium und eine Entsorgungsgerechte Konstruktion zurückzuführen.
Abstract
The topic of this master thesis is the development of a lightweight cooling structure for power electronics in long distance capable multirotor unmanned aerial vehicles (UAV). To reduce the maximum take-off weight of an aircraft, the electronic speed control is combined with lightweight carbon composites avoiding an aluminium heatsink. The reliability and cooling efficiency of the new concept in typical flight situations is analysed.
Based on measurements and supported by simulation models a thermal database for selected carbon composites is created. The collected data is used in stationary simulations in order to compare a typical aluminium based heat sink concept with cooling concepts using multifunctional CFRP. To fulfill high cooling standards attached pyrolytic graphite sheets are used as heat spreader along the surface of the structure. Furthermore, the power electronics is covered with thermal resin to provide environmental protection and ensure sufficient cooling.
A simplified SolidWorks thermal CFD model is verified by an Ansys simulation combining FEM and CFD simulations under consideration of orthotropic material properties. Besides the theoretical aspects showing the potential of the new cooling method, an operational demonstrator is manufactured for thermal analysis purposes. The demonstrator confirms the quality of the created simulation model. An included life cycle assessment considers environmental aspects of the concept such as greenhouse gas emissions and end of life scenarios.
Bearbeiter: Adrian Sauer
Betreuer: Florian Hilpert
Für Studienfächer: Mechatronik