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e & i Elektrotechnik und Informationstechnik

, Volume 136, Issue 2, pp 195–201 | Cite as

Sensitivitätsanalyse der Wärmequellen- sowie Wärmetransportmodellierung in permanenterregten Synchronmaschinen

  • Christopher BeckEmail author
  • Daniel Keller
  • Harald Echtle
  • Sebastian Haug
  • Christian Krüger
  • Michael Bargende
Originalarbeit
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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.

Schlüsselwörter

Sensitivitätsanalyse Wärmequellen Wärmeleitung nasslaufender Elektromotor PMSM 

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

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.

Keywords

sensitivity analysis heat source distribution heat transfer direct oil-cooled electrical machine PMSM 

Notes

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Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Austria, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  • Christopher Beck
    • 1
    Email author
  • Daniel Keller
    • 1
  • Harald Echtle
    • 1
  • Sebastian Haug
    • 1
  • Christian Krüger
    • 1
  • Michael Bargende
    • 2
  1. 1.Daimler AGStuttgartDeutschland
  2. 2.Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Lehrstuhl FahrzeugantriebeUniversität StuttgartStuttgartDeutschland

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