Meier, Vinzent (2023)
Modellierung und Berechnung der Strömungsvorgänge im Luftspalt einer permanentmagneterregten Synchronmaschine.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024381
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Batterieelektrische Fahrzeuge stellen hohe Anforderungen an Effizienz, Leistungsdichte und Dauerleistung der elektrischen Maschine, wozu auch das verwendete Kühlkonzept einen erheblichen Beitrag leistet. Die Kühlmethoden und das thermische Verhalten möglichst früh im Entwicklungsprozess zu bewerten ist ein Ziel der digitalen Entwicklung. Dabei kommen auch numerische Berechnungen der Temperaturverteilung elektrischer Maschinen zum Einsatz. Eine bestehende Herausforderung für die thermische Berechnung permanentmagneterregter Synchronmaschinen sind die Strömungsvorgänge im Luftspalt zwischen Rotor und Stator. Wird neben Luft noch eine Kühlflüssigkeit in den Innenraum der elektrischen Maschine eingebracht, kann diese in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator gelangen. Infolgedessen entsteht eine komplexe zweiphasige Strömung, die sich sowohl auf die Schleppverluste als auch den Wärmetransport über den Spalt auswirkt. Bisherige Untersuchungen zu Schleppverlusten und Wärmeübergang beschränken sich auf einphasige Spaltströmungen, weshalb in der vorliegenden Arbeit ein Modellaufbau zur Berechnung der zweiphasigen Strömungsformen entwickelt und mit Experimenten verglichen wird. Die Randbedingungen des Luftspalts, wie bspw. die geringe Luftspalthöhe und hohe Geschwindigkeitsgradienten führen zur Notwendigkeit einer feinen, räumlichen und zeitlichen Diskretisierung in der Berechnung. Aufgrund periodischer Strömungsformen kann das Rechengebiet soweit reduziert werden, dass trotz der hohen Anforderungen eine Berechnung der Strömungsvorgänge im Luftspalt möglich wird. Für die Abbildung der zweiphasigen Strömungsformen haben sich Large Eddy Simulationen in Kombination mit der Volume of Fluid Methode als geeignet erwiesen. Die vorgestellten Berechnungsmodelle werden für die detaillierte Analyse der Strömung im Luftspalt angewendet. In Abhängigkeit des Ölanteils im Luftspaltmodell ergeben sich drei Bereiche, die sich durch unterschiedliche Ölstrukturen voneinander abgrenzen. Es tritt eine geschichtete Spaltströmung bei geringen Ölanteilen, eine alternierend geschichtete und chaotische Spaltströmung bei mittleren Ölanteilen und eine chaotische Spaltströmung bei hohen Ölanteilen auf. Drehzahl, Temperatur und Luftspaltgeometrie wirken sich auf diese Strömungsformen und damit auf die Verlustleistung im Luftspalt aus. Abgeleitet von der detaillierten Analyse wird ein Ansatz zur Bestimmung des Ölanteils im Luftspalt für quasistationäre Betriebspunkte vorgestellt und durch Experimente bestätigt. Schlussendlich ermöglichen die präsentierten Modelle die Berechnung des Wärmeübergangs und der Verlustleistung im Luftspalt und damit auch aller Bauteiltemperaturen im Gesamtmodell der elektrischen Maschine.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen