Die aktuelle Entwicklung bei Flugantrieben zeigt einen ernstzunehmenden Trend hin zu voll-elektrischen Flugzeugen. Daher gilt es, die aktuelle Effizienz von elektrischen Maschinen zu verbessern und damit verbunden, die Thermik innerhalb eines Motors optimal zu erfassen. Die thermische Analyse ist im Vergleich zur elektromagnetischen Optimierung bislang mit geringem Aufwand erforscht worden. Aufgrund dessen wird die Temperatur aktuell häufig mit Hilfe der LPTN-Methode in der Mitte einer Nut erfasst. Diese Vorgehensweise wird in dieser Arbeit auf ihre Genauigkeit nummerisch untersucht. Die thermische Verteilung in einer Maschine, die in Form von parabolischen partiellen Differentialgleichungen beschrieben ist, kann nummerisch oder analytisch (analytisch jedoch nicht immer lösbar) berechnet werden.
Die Methode der FEM – nummerisches Design – und die Variante der LPTN, eine analytische Betrachtung, die teilweise nummerisch ergänzt werden muss, haben unterschiedliche Vor- und Nachteile bezüglich der Genauigkeit und der Rechenzeit in ihrer Verwendung. Das LPTN weist eine schnellere Rechenzeit auf, ist in der Genauigkeit jedoch beschränkt. Die nummerische Lösung (FEM) benötigt eine höhere Rechenzeit und liefert ein genaueres Ergebnis. Die Entwicklung der Vorgehensweise des LPTN stellt das übergeordnete Ziel, welches nicht Teil dieser Arbeit ist und im Anschluss daran thematisiert werden sollte, dar. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der FEM-Berechnung, die mittles COMSOL simuliert wird und die Vergleichswerte für das LPTN Verfahren bereitstellt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden aufeinander aufbauende Simulationen der Grundgeometrie einer einzelnen Nut zur Berechnung der Temperaturverteilung entworfen. Die Simulation wurde – basierend auf einer
Permanentmagnet-Synchronmaschine – erstellt. Die Position der maximalen Temperaturwerte konnte letztlich im unteren Bereich der Nut – möglichst nahe der Nutauskleidung – ermittelt werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Die Hinführung zur Forschungsfrage
2 Das Projekt
2.1 Das erweiterte Projektziel
2.2 Der neunphasige Permanentmagent-Synchronmotor
3 Die Grundtypen der thermischen Analyse
3.1 Das analytische Design
3.2 Das nummerische Design
4 Die nummerische Analyse mit der Software COMSOL
4.1 Die Software COMSOL
4.2 Der Aufbau der Simulationssoftware
4.3 Die schrittweise Simulation der Nut
4.4 Die Auswertung der Ergebnisse
5 Die sukzessive Umsetzung der Forschungsfrage
5.1 Die freistehende Nut als Rechteck
5.1.1 Die Simulation der freistehenden Nut als Rechteck
5.1.2 Das Ergebnis der freistehenden Nut als Rechteck
5.2 Die Nut als Rechteck mit äußeren Einflüssen
5.2.1 Die Simulation der Nut als Rechteck mit äußeren Einflüssen
5.2.2 Das Ergebnis der Nut als Rechteck mit äußeren Einflüssen
5.3 Die Nut unter Betrachtung einzelner Leiter
5.3.1 Die Simulation der Nut mit einzelnen Leitern
5.3.2 Das Ergebnis der Nut mit einzelnen Leitern
5.4 Die Nut mit integrierter Kühlung
5.4.1 Die Simulation der Nut mit integrierter Kühlung
5.4.2 Das Ergebnis der Nut mit integrierter Kühlung
5.5 Die rechteckige Nut im Joch und Zahn
5.5.1 Die Simulation der rechteckigen Nut im Joch und Zahn
5.5.2 Das Ergebnis der rechteckigen Nut im Joch und Zahn
5.6 Die Nut als Trapez
5.6.1 Die Simulation der Nut als Trapez
5.6.2 Das Ergebnis der Nut als Trapez
6 Das Fazit
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die numerische Verifizierung des aktuellen thermischen Messverfahrens bei elektrischen Maschinen, das die maximale Temperatur typischerweise durch eine Messung in der Mitte der Nut erfasst. Mittels einer sukzessiven Simulationsreihe in COMSOL wird untersucht, ob sich die wärmsten Stellen tatsächlich an dieser Position befinden oder ob eine präzisere, numerisch verbesserte Bestimmung möglich ist.
- Thermische Analyse von elektrischen Maschinen
- Numerische Simulationen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM)
- Untersuchung von Temperaturverteilungen innerhalb der Nut
- Validierung und Optimierung von thermischen Messverfahren
- Einfluss von Geometrie, Materialeigenschaften und Kühlkonzepten
Auszug aus dem Buch
3.1 Das analytische Design
Das analytische Netzwerk lässt sich zwischen zwei Arten zur Erfassung des thermischen Verhaltens einer elektrischen Maschine unterscheiden. Diese Kategorisierung orientiert sich hierbei an der Hauptberechnungsart, dem physikalischen Aspekt. Zum einen kann eine Wärmeübertragungsnetzwerkanalyse und zum anderen eine Strömungsnetzwerkanalyse angewendet werden. Die Wärmeübertragungsnetzwerkanalyse fokussiert sich auf die Thermodynamik innerhalb eines Motors, die Strömungsnetzwerkanalyse hingegen auf die Strömungsmechanik [4]. Die Aufgabenstellung in dieser Arbeit legt den Fokus auf die Optimierung der thermischen Erfassung innerhalb einer Nut, weshalb die Wärmeübertragungsnetzwerkanalyse die zentrale Berechnungsart für weitere Untersuchungen im Anschluss an diese Arbeit darstellt.
Das Grundprinzip dieser Analyse besteht darin, die Thermodynamik in Form eines elektrischen Netzwerkes nachzustellen und zu vereinfachen. So wird die Temperatur durch die Spannung, die Leistung mittels des Stromes und der Wärmewiderstand mit Hilfe von Widerständen dargestellt. Die Randbedingungen der Temperatur und des Wärmestromes sind in Form von Spannungs- bzw. Stromquellen zu realisieren. Ähnliche Temperaturen bilden in solch einem Netzwerk denselben Knoten. Die einzelnen Knoten (unterschiedliche Temperaturen) sind mit thermischen Widerständen (der Wärmeübertragung) verbunden. Bei den thermischen Widerständen wird zwischen Leitungswiderständen, Konvektionswiderständen und Strahlenwiderständen unterschieden. Die Parameter setzen sich aus den Informationen über die Dimension, den Materialeigenschaften und den Wärmeübertragungskoeffizienten zusammen. [3, 4, 9] Ein beispielhaftes thermisches Ersatznetz mittels der Lumped-Parameter-Thermal-Network-Analyse (LPTN) zur Darstellung der Thermodynamik innerhalb einer elektrischen Maschine ist in Abbildung 3.1 visualisiert. Ta kennzeichnet beispielsweise die Temperatur an der Stelle a. Rab beschreibt den thermischen Übergang von Temperatur an der Position a zur Temperatur an der Stelle b. Weitere und detailliertere Informationen zur Berechnung der Ersatzwiderstände und zum Netzwerk selbst sind in der Quelle von Boglietti in "Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of Electrical Machines" zu finden. [4, 9]
Zusammenfassung der Kapitel
1 Die Hinführung zur Forschungsfrage: Einleitung in die Bedeutung elektrischer Maschinen in Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie die Notwendigkeit exakter thermischer Analyse zur Vermeidung von Ausfällen.
2 Das Projekt: Vorstellung des neunphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors und Definition des Ziels, das Temperaturprofil in der Nut mittels numerischer Lösung zu erfassen.
3 Die Grundtypen der thermischen Analyse: Erläuterung der theoretischen Unterschiede zwischen dem analytischen (LPTN) und dem nummerischen (FEM/CFD) Design für thermische Untersuchungen.
4 Die nummerische Analyse mit der Software COMSOL: Beschreibung der verwendeten Simulationssoftware, ihrer Struktur sowie der Methodik zur Erfassung und Auswertung der Temperaturprofile.
5 Die sukzessive Umsetzung der Forschungsfrage: Hauptteil der Arbeit, der schrittweise verschiedene Geometrien und Randbedingungen simuliert, um die Stelle der Maximaltemperatur präzise zu bestimmen.
6 Das Fazit: Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse, Bestätigung der Erkenntnisse zur Hotspot-Positionierung und Ausblick auf notwendige weitere Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Thermische Analyse, Elektrische Maschine, Synchronmaschine, Permanentmagnet, FEM, COMSOL, Nut, Temperaturverteilung, LPTN, Wirkungsgrad, Hotspot, Wärmeübertragung, Simulation, Isolationslebensdauer, Kühlkonzept.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der thermischen Analyse innerhalb von elektrischen Maschinen, insbesondere mit der exakten Bestimmung von Temperatur hot-spots in der Nut von neunphasigen Synchronmaschinen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Themen sind die Finite-Elemente-Methode (FEM), der Entwurf von permanentmagneterregten Synchronmaschinen, thermische Modellierung sowie die Optimierung von Messverfahren für Wicklungstemperaturen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Untersuchung?
Die Forschungsfrage prüft, ob das derzeit gebräuchliche Temperaturmessverfahren in der Mitte einer Nut gültig ist und wie diese Analyse durch numerische Simulationen mit COMSOL für eine höhere Genauigkeit verbessert werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Es wird die numerische Simulationsmethode der Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, präzise umgesetzt durch die Software COMSOL Multiphysics.
Was wird im Hauptteil des Buches behandelt?
Im Hauptteil (Kapitel 5) erfolgt eine sukzessive Simulation unterschiedlicher Geometrien der Nut: von einfachen Rechtecken über die Berücksichtigung einzelner Leiter, integrierter Kühlung bis hin zu realistischen trapezförmigen Geometrien mit abgerundeten Ecken.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die wissenschaftliche Publikation?
Wichtige Begriffe sind unter anderem Thermische Analyse, FEM, COMSOL, Synchronmaschine, Temperaturverteilung, Hotspot-Analyse und Wicklungstemperatur.
Wie unterscheidet sich die numerische FEM-Methode vom LPTN-Verfahren?
Die FEM bietet eine detailliertere, räumlich genauere Berechnung der Temperaturverteilung, während LPTN auf analytischen Netzwerken basiert, schneller rechnet, aber in der Genauigkeit und Auflösung der Hotspots eingeschränkt ist.
Was ist das zentrale Ergebnis bezüglich der Position der maximalen Temperatur?
Die Simulationen zeigen, dass die maximale Temperatur nicht in der Mitte der Nut liegt, sondern sich typischerweise in das obere Viertel in Richtung des Luftspaltes oder in die Nähe der Nutauskleidung verschiebt.
Welche Rolle spielt die Integration von Kühlung in der Simulation?
Die Integration von Kühlkanälen und deren Wärmeübergangskoeffizienten zeigt deutlich, dass eine gezielte Kühlung die Temperaturspitzen reduziert, jedoch die Position der maximalen Werte weiter beeinflusst und im Modell exakt berücksichtigt werden muss.
Was schlussfolgert die Autorin über die aktuelle Messmethode?
Die Autorin folgert, dass eine Messung ausschließlich in der Mitte der Nut als unzureichend genau angesehen werden muss und empfiehlt, Temperaturerfassungen stattdessen möglichst nahe der Ränder im unteren Viertel der Nut anzusetzen.
- Arbeit zitieren
- Yvonne Schröder (Autor:in), 2022, Ermittlung der Wicklungstemperatur einer neunphasigen Synchronmaschine mit COMSOL, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1466109
