Analytische Berechnung thermischer Vorgänge in permanentmagneterregten Synchronmaschinen

Publication date
2008
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Kipp, Burghard
Advisor
Bolte, Ekkehard
Referee
Gerling, Dieter
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2008-03-20
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Thermik
Dauermagneterregte Synchronmaschine
Abstract
Die permanenterregten Maschinen haben in den vergangenen Jahren aufgrund der Entwicklung leistungsfähigerer Magnetwerkstoffe stark an Bedeutung gewonnen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften bezüglich Wirkungsgrad, Wartungsfreiheit und Positionierbarkeit werden permanentmagneterregte Maschinen nunmehr für Anwendungsgebiete mit großen Leistungen oberhalb von 1 MW interessant. Als Beispiele seien hier Windkraftanlagen und die Unterseeboote der Klasse 212 der Deutschen Bundesmarine genannt. --- Hierdurch rückt der Aspekt der thermischen Belastbarkeit in den Fokus. Die Grenzen der thermischen Belastbarkeit müssen bereits bei der Auslegung und Dimensionierung von Maschinen beachtet und in die Berechnungsalgorithmen einbezogen werden. --- In dieser Arbeit wird die analytische Berechnung der Temperaturverläufe anhand eine Modells zur Berechnung des transienten thermischen Verhaltens von permanentmagneterregten Motoren thematisiert. Der Fokus liegt dabei auf Innenläufermotoren mit konzentrierten bzw. verteilten Statorwicklungen und Permanentmagnetblöcken auf dem Rotor. --- Schwerpunkte dieser Arbeit bilden zum einen das Aufstellen eines geeigneten Berechnungsalgorithmus sowie zum anderen die analytische, temperaturabhängige Berechnung der einzelnen Netzwerkelemente. Bei der Berechnung der Wärmeübergangswiderstände wird, im Gegensatz zu anderen Lösungsansätzen die Problematik des Wärmeübergangs über den Luftspalt durch die Anwendung der Theorie des konvektiven Wärmeübergangs im zylindrischen Ringspalt unter Einbeziehung der Nutzschlitzöffnungen gelöst. Desweiteren werden die Wärmeübergänge durch Strahlung ausgehend vom Wickelkopf sowie der Wärmeübergang durch Strahlung über den Luftspalt einbezogen. --- Zur Einbeziehung der Eisenverluste werden verschiedene etablierte Berechnungsmethoden vorgestellt, die im Berechnungsprogramm zur Auswahl stehen. Die Wertigkeit dieser Berechnungsmethoden wird über eine messtechnische Bestimmung der Eisenverluste geprüft. --- Die Umsetzung der Thorie in ein Simulationsprogramm auf Matlabbases ist nicht direkter Bestandteil dieser Dokumentation, es wird aber anhand von berechneten Verläufen sowie Programmfenstern immer wieder Bezug auf diese praktische Umsetzung der aufgestellten Theorie genommen. --- Gleiches gilt für die praktische Verifizierung des Simulationsmodells anhand von Temperaturmessungen am im Anhang A1 beschriebenen Motor. Auf die gemessenen Verläufe wird in dieser Arbeit Bezug genommen. Sie verifizieren das aufgestellte Berechnungsmodell. Die entwickelte Theorie der Berechnung des thermischen Verhaltens soll nicht in Konkurrenz zu bereits verbreiteten kommerziellen Programmen zur numerischen Berechnung stehen, sondern diese um Vorteile und Möglichkeiten eines analytischen Formelwerks ergänzen. --- Die analytische Berechnung bietet zum einen die Möglichkeit der separaten Betrachtung einzelner Wärmeübergänge in der Maschine. Die erlaubt Aussagen darüber, inwieweit bestimmte Wärmeübergangswiderstände berücksichtigt werden müssen oder, abhängig von der Geometrie, vernachlässigt werden können. --- Ein weiterer Vorteil liegt in der physikalischen Anschaulichkeit des Formelwerks, wodurch direkte Analysen und Rückschlüsse für die Maschinendimensionierung möglich sind. --- Desweiteren erlaubt die analytische Umsetzung der in dieser Arbeit vorgestellten Theorie in ein Rechenprogramm auf Matlab-Basis die direkte Einbindung thermischer Aspekte in am Institut bereits vorhandene Programme zur analytischen Feldberechnung und analytischen Maschinendimensionierung, die einen Forschungsschwerpunkt am Institut darstellen.
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