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Sensitivitätsanalyse der Wärmequellen- sowie Wärmetransportmodellierung in permanenterregten Synchronmaschinen

Sensitivity study on heat source distribution and heat transport of electrical machines

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e & i Elektrotechnik und Informationstechnik Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Elektromotoren zeichnet ein hoher Wirkungsgrad aus. Die auftretenden Verluste erwärmen dennoch den Motor und führen insbesondere bei hohen Leistungsdichten zu Einschränkungen des Betriebsbereichs. Um einen zuverlässigen Einsatz sicherzustellen, muss durch die Wahl eines geeigneten Kühlkonzeptes die Temperatur der kritischen Bauteile kontrolliert und gegebenenfalls gesenkt werden. Bei permanenterregten Synchronmaschinen sind vor allem die Magnete sowie die Isolierung der Kupferwicklung und der Blechpakete temperaturempfindlich. Um während des Entwicklungsprozesses Bauteiltemperaturen vorhersagen zu können, müssen Wärmequellen, Wärmetransport und Wärmesenken modelliert werden.

Der vorliegende Bericht präsentiert die Ergebnisse einer Sensitivitätsanalyse zum Einfluss der Wärmequellenmodellierung und der für den Transport innerhalb der Struktur maßgeblichen Eigenschaften innerhalb eines 3D-Modells. Um den als Basis verwendeten nasslaufenden Elektromotor vereinfacht abbilden zu können, kommen sowohl analytische Randbedingungen als auch Daten aus vereinfachten CFD-Simulationen zum Einsatz. Im Rahmen einer Studie werden der Einfluss und die Notwendigkeit von temperaturabhängigen, lokal variablen Verlusten und Stoffeigenschaften aufgezeigt. Dabei werden auf Basis der elektromagnetischen Auslegung die ohmschen Verluste in der Kupferwicklung und die Ummagnetisierungsverluste untersucht. Des Weiteren werden temperaturabhängige Stoffeigenschaften und der Einfluss der Verformung des Blechpakets auf den Wärmetransport untersucht.

Die Ergebnisse werden gegenübergestellt und die Erkenntnisse zur Auslegung zukünftiger Elektromotoren werden aufgezeigt. Das entwickelte Simulationsmodell dient als Basis für detaillierte Simulationen nasslaufender Elektromotoren.

Abstract

Electric motors are characterized by a high degree of efficiency. The resulting losses heat up the motor and, particularly in the case of high performance densities, the operating range is subject to restrictions. To ensure reliable operation, the temperature of the critical component must be checked and lowered by selecting a suitable cooling concept. In the case of a permanent-magnet synchronous motor, the magnets and the copper insulation and the sheet metal packages are temperature-sensitive. In order to be able to calculate component temperatures during the development process, heat sources, heat transport and heat sinks must be modeled.

The present work presents the results of a sensitivity analysis of the heat sources and the properties of the structural changes within a 3D-model. In order to simplify the electric motor used as the basis, analytical boundary conditions are available from the literature as well as data from simplified CFD-simulations. As part of a study, the influence and the necessity of temperature-dependent, local variable losses and material properties are shown. On the basis of the electromagnetic design, the ohmic losses in copper and iron losses are examined. Furthermore, temperature-dependent material properties and the influence of deformation on heat transport are examined.

The results are compared, the findings for the criteria for the design of future electric motor are shown and the developed simulation model is used as a basis for detailed simulations.

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Literatur

  1. Stan, C. (2012): Alternative Antriebe für Automobile. 3. Aufl. Berlin: Springer.

    Book  Google Scholar 

  2. Huber, A., Pfitzner, M., Nguyen-Xuan, T., Eckstein, F. (2013): Effiziente Strömungsführung im Wassermantel elektrischer Antriebsmaschinen. ATZelektronik, 06/2013, 478–485.

    Article  Google Scholar 

  3. Assaad, B., Benkara, K. E., Vivier, S., Frierich, G., Michon, A. (2017): Thermal design optimization of electric machines using a global sensitivity analysis. IEEE Trans. Ind. Appl., 53, 5365–5372.

    Article  Google Scholar 

  4. Wang, W., Zhou, Y., Chen, Y. (2014): Investigation of lumped-parameter thermal model and thermal parameters test for IPMSM. In 7th international conference on electrical machines and systems (S. 3246–3252).

    Google Scholar 

  5. Haghighian, R., Mazinanian, M. R., Vahedi, A. (2016): In Sensitivity analysis to improve the design process of an induction motor using MEC, 7th power electronics, drive systems & technologies conference (S. 35–40).

    Google Scholar 

  6. Grigull, U. (1963): Die Grundgesetze der Wärmeübertragung. 3. Aufl. Berlin: Springer.

    Google Scholar 

  7. Bertotti, G. (1998): Hysteresis in magnetism: for physicists, materials scientists and engineers. Orlando: Gulf Professional Publishing.

    Google Scholar 

  8. Müller, G., Vogt, K., Ponick, B. (2007): Berechnung elektrischer Maschinen 6. Aufl. New York: Wiley-VCH.

    Book  Google Scholar 

  9. Huber, A., Nguyen-Xuan, T., Brossardt, N., Eckstein, F., Pfitzner, M. (2014): Thermische Simulation eines hochdetaillierten Wickelkopfmodells einer elektrischen Antriebsmaschine, ANSYS Conference & 32. CADFEM Users’ Meeting.

    Google Scholar 

  10. Romanazzi, P. (2017): Fast and accurate hot-spot estimation in electrical machines. Oxford: University of Oxford.

    Google Scholar 

  11. Oechslen, S. (2018): Thermische Modellierung elektrischer Hochleistungsantriebe. Berlin: Springer.

    Book  Google Scholar 

  12. Abdollahi, H., Shahraki, S., Motahari-Nezhad, M. (2017): A review on the effects of different parameters on contact heat transfer. Thermophys. Aeromech., 24, 499–512.

    Article  Google Scholar 

  13. Cousineau, J. E., Bennion, K., Chieduko, V., Lall, R., Gilbert, A. (2018): Experimental characterization and modeling of thermal contact resistance of electric machine stator-to-cooling jacket interface under interference fit loading. J. Thermal Sci. Eng. Appl., 08/2018, 1–7.

    Google Scholar 

  14. Weigand, B. (2015): Analytical methods for heat transfer and fluid flow problems. 2. Aufl. Heidelberg: Springer.

    MATH  Google Scholar 

  15. Ghiasy, D., Boodhoo, K. V. K., Tham, M. T. (2012): Thermografic analysis of thin liquid films on a rotating disc: Approach and challenges. Appl. Thermal Eng.

  16. Aoune, A., Ramshaw, C. (1999): Process intensification: heat and mass transfer characteristics of liquid films on rotating discs. Int. J. Heat Mass Transf., 42, 2543–2556.

    Article  Google Scholar 

  17. Boodhoo, K. V. K., Jachuck, R. J. (2000): Process intensification: spinning disc reactor for condensation polymerisation. Green Chem., 2, 235–244.

    Article  Google Scholar 

  18. Nouri-Borujerdi, A., Nakhchi, M. E. (2014): Heat transfer enhancement in annular flow with outer grooved cylinder and rotating inner cylinder: Review and experiments. Appl. Thermal Eng.

  19. VDI (2013): Wärmeatlas. 11. Aufl. Heidelberg: Springer.

    Book  Google Scholar 

  20. Grigull, U., Sandner, H. (1990): Wärmeleitung. 2. Aufl. Berlin: Springer.

    Book  Google Scholar 

  21. Nategh, S. (2013): Thermal analysis and management of high-performance electrical machines. Dissertation, Stockholm.

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Authors and Affiliations

  1. Daimler AG, Mercedesstraße 137, 70327, Stuttgart, Deutschland

    Christopher Beck, Daniel Keller, Harald Echtle, Sebastian Haug & Christian Krüger

  2. Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 12, 70569, Stuttgart, Deutschland

    Michael Bargende

Authors
  1. Christopher Beck
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  2. Daniel Keller
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  3. Harald Echtle
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  4. Sebastian Haug
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  5. Christian Krüger
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  6. Michael Bargende
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Beck, C., Keller, D., Echtle, H. et al. Sensitivitätsanalyse der Wärmequellen- sowie Wärmetransportmodellierung in permanenterregten Synchronmaschinen. Elektrotech. Inftech. 136, 195–201 (2019). https://doi.org/10.1007/s00502-019-0714-z

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