Ermittlung der Wicklungstemperatur einer neunphasigen Synchronmaschine mit COMSOL

Résumé ou Introduction

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.