Numerische Analyse einer nasslaufenden permanenterregten Synchronmaschine

Bei der Auslegung von elektrischen Maschinen ist die thermische Absicherung zur Steigerung der Dauerleistung und Lebensdauer erforderlich. Mit einem geeigneten numerischen Modell einer nasslaufenden permanenterregten Synchronmaschine kann diese Absicherung bereits früh in der Entwicklungsphase beginnen. Die Herausforderung besteht in der multiphysikalischen Modellbildung und den zu berücksichtigenden Zeit- und Längenskalen in Solid wie Fluid. Die Herausforderungen bei der Modellierung der Struktur liegen in der Berücksichtigung der verschiedenen Wärmequellen und der anisotropen Wärmeleitfähigkeit. Im Bereich des Wickelkopfes kann die Anisotropie mit Hilfe eines Ersatzmodells vorgegeben werden, sodass bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand der Einfluss der Einzeldrähte berücksichtigt werden kann. Auf Basis von Untersuchungen mit vereinfachten Berechnungsmodellen wird der Fluidraum im Inneren der elektrischen Maschine in Teilbereiche zerlegt. Besondere Relevanz zur Berechnung von Komponententemperaturen hat der Wärmeübergang am Wickelkopf und im Spalt zwischen Rotor und Stator. Zur Modellierung des Prallstrahls am Wickelkopf wird ein hybrider Ansatz verwendet. Zusätzlich werden zur Plausibilisierung der Strömungsvorgänge ein optisch zugänglicher Elektromotor entwickelt und erste Vergleiche zwischen Berechnung und Experiment durchgeführt. Die komplexe zweiphasige Strömung im Spalt und deren Wärmeübergang werden anhand eines tabellenbasierten Ansatzes berücksichtigt. Im letzten Schritt erfolgt die Integration der entwickelten Submodelle zur Berücksichtigung der Wärmeübergänge in den Teilbereichen in ein Gesamtmodell. Die Validierung der entwickelten Methodik erfolgt mittels experimentell ermittelter Bauteiltemperaturen der permanenterregten Synchronmaschine, die auf dem Leistungsprüfstand mit Batteriesimulator vermessen wird. Für die analysierten Dauerbetriebspunkte liegen die Temperaturen der Simulation im Bereich der Messtoleranzen. Das entwickelte Gesamtmodell kann im Entwicklungsprozess zukünftiger Elektromotoren verwendet werden.