Numerische Analyse einer nasslaufenden permanenterregten Synchronmaschine

Zusammenfassung

Bei der Auslegung von elektrischen Maschinen ist die thermische Absicherung zur Steigerung der Dauerleistung und Lebensdauer erforderlich. Mit einem geeigneten numerischen Modell einer nasslaufenden permanenterregten Synchronmaschine kann diese Absicherung bereits früh in der Entwicklungsphase beginnen. Die Herausforderung besteht in der multiphysikalischen Modellbildung und den zu berücksichtigenden Zeit- und Längenskalen in Solid wie Fluid. Die Herausforderungen bei der Modellierung der Struktur liegen in der Berücksichtigung der verschiedenen Wärmequellen und der anisotropen Wärmeleitfähigkeit. Im Bereich des Wickelkopfes kann die Anisotropie mit Hilfe eines Ersatzmodells vorgegeben werden, sodass bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand der Einfluss der Einzeldrähte berücksichtigt werden kann. Auf Basis von Untersuchungen mit vereinfachten Berechnungsmodellen wird der Fluidraum im Inneren der elektrischen Maschine in Teilbereiche zerlegt. Besondere Relevanz zur Berechnung von Komponententemperaturen hat der Wärmeübergang am Wickelkopf und im Spalt zwischen Rotor und Stator. Zur Modellierung des Prallstrahls am Wickelkopf wird ein hybrider Ansatz verwendet. Zusätzlich werden zur Plausibilisierung der Strömungsvorgänge ein optisch zugänglicher Elektromotor entwickelt und erste Vergleiche zwischen Berechnung und Experiment durchgeführt. Die komplexe zweiphasige Strömung im Spalt und deren Wärmeübergang werden anhand eines tabellenbasierten Ansatzes berücksichtigt. Im letzten Schritt erfolgt die Integration der entwickelten Submodelle zur Berücksichtigung der Wärmeübergänge in den Teilbereichen in ein Gesamtmodell. Die Validierung der entwickelten Methodik erfolgt mittels experimentell ermittelter Bauteiltemperaturen der permanenterregten Synchronmaschine, die auf dem Leistungsprüfstand mit Batteriesimulator vermessen wird. Für die analysierten Dauerbetriebspunkte liegen die Temperaturen der Simulation im Bereich der Messtoleranzen. Das entwickelte Gesamtmodell kann im Entwicklungsprozess zukünftiger Elektromotoren verwendet werden.

Abstract

While designing electrical machines, thermal protection is required to increase continuous performance, lifetime and efficiency. With a suitable numerical model of a direct oil-cooled permanent magnet synchronous machine, this protection can begin early in the development phase. The challenge lies in multi-physics modeling and a wide range of time and length scales to be considered in solid and fluid. The challenges of modeling the structure lie in considering the different heat sources and the anisotropic thermal conductivity. In the area of the winding head, the anisotropy can be specified with the help of a substitute model, so that the influence of the individual wires can be taken into account with comparatively little computational effort. Based on investigations with simplified calculation models, the fluid space inside the electrical machine is broken down into subareas. The heat transfer at the winding head and in the gap between the rotor and the stator is particularly relevant for the calculation of component temperatures. A hybrid approach is used to model the impact jet on the winding head. In addition, an optically accessible electric motor is developed to verify the flow processes, and the first comparisons between calculation and experiment are drawn. The complex two-phase flow in the gap and its heat transfer are taken into account with a look-up table approach. The final step is to integrate the developed submodels into an overall model to take into account the heat transfer in the subareas. The validation of the developed methodology is carried out by means of experimentally determined component temperatures of the permanent magnet synchronous machine used on the test bench with a battery simulator. For the analyzed continuous operating points, the temperatures of the simulation are within the range of measurement tolerances. The developed overall model can be used in the development process of future electric motors.