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
- 5.1 Die freistehende Nut als Rechteck . . . .
- 6 Das Fazit
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Arbeit befasst sich mit der thermischen Analyse eines neunphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors, der für den Einsatz in voll-elektrischen Flugzeugen entwickelt wird. Ziel ist es, die Temperaturverteilung innerhalb des Motors mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu simulieren und die Genauigkeit der LPTN-Methode zu überprüfen.
- Thermische Analyse von elektrischen Maschinen für den Einsatz in der Luftfahrt
- Vergleich der FEM-Simulation mit der analytischen LPTN-Methode
- Optimierung der Temperaturverteilung in einem Elektromotor
- Bewertung der Genauigkeit und Effizienz verschiedener Simulationsansätze
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 führt in die Forschungsfrage ein und beschreibt den Kontext der Arbeit. Kapitel 2 erläutert das Projekt und die spezifischen Ziele. Es werden das erweiterte Projektziel und der neunphasige Permanentmagnet-Synchronmotor vorgestellt. Kapitel 3 behandelt die Grundtypen der thermischen Analyse, sowohl das analytische Design als auch das nummerische Design. In Kapitel 4 wird die nummerische Analyse mit der Software COMSOL behandelt, inklusive einer Beschreibung der Software und des Aufbaus der Simulation. Die schrittweise Simulation der Nut und die Auswertung der Ergebnisse werden ebenfalls in diesem Kapitel erläutert. Kapitel 5 befasst sich mit der sukzessiven Umsetzung der Forschungsfrage, wobei die einzelnen Schritte der Simulation dargestellt werden. Die Ergebnisse der Simulationen für verschiedene Nut-Geometrien werden detailliert besprochen. Kapitel 6 fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und zieht Schlussfolgerungen.
Schlüsselwörter
Die Arbeit fokussiert auf die thermische Analyse eines neunphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors. Im Mittelpunkt stehen die Finite-Elemente-Methode (FEM), die LPTN-Methode, die Temperaturverteilung, die Simulation mit COMSOL, die Nut-Geometrie und die Optimierung der Wärmeableitung.
- Citar trabajo
- Yvonne Schröder (Autor), 2022, Ermittlung der Wicklungstemperatur einer neunphasigen Synchronmaschine mit COMSOL, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1466109
