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Über dieses Buch

David Bauer befasst sich mit der Verlustanalyse und -berechnung sowie der resultierenden Schnittstelle zu thermischen Netzwerkmodellen bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen, welche in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Die einzelnen Verlustarten untersucht der Autor hierbei hinsichtlich relevanter Verlusteffekte und analysiert die räumliche Verlustverteilung sowie das temperaturabhängige Verhalten der Verluste. Darauf aufbauend entwickelt er sowohl entsprechende Methoden zur Verlustübergabe an die thermische Domäne als auch Skalierungsvorschriften und -formeln zur Abbildung der Temperaturabhängigkeit.

Der Autor
David Bauer promovierte an der Universität Stuttgart und ist heute im Bereich der Auslegung elektrischer Maschinen für Elektro- und Hybridantriebe tätig.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Neben den geringen Emissionen zählt Fahrspaß, maßgeblich durch das Beschleunigungsverhalten definiert, zu den wichtigsten Verkaufsargumenten von elektrifizierten Fahrzeugen [51, 122]. Die verschiedenen Autohersteller werben damit, dass der verbaute Elektromotor bereits aus dem Stillstand das volle Drehmoment zur Verfügung stellt und damit selbst Sportwagenfahrer beeindruckt [29]. Die Firma Tesla treibt es noch einen Schritt weiter und liefert dem Kunden einen wählbaren „Insane-“ (dt.: „Wahnsinns-“) Modus, um die maximale Beschleunigung zu gewährleisten [21, 119].
David Bauer

Kapitel 2. Einsatz von elektrischen Maschinen im Elektro- bzw. Hybridfahrzeug

Unabhängig vom Gesamtfahrzeugkonzept (Hybrid- oder Elektrofahrzeug) basiert der elektrische Teil des Antriebsstranges auf einem Energiespeicher (Batterie/ Brennstoffzelle), der Leistungselektronik (Umrichter) und der elektrischen Maschine. Da die Hochvoltbatterie (übliches Spannungsniveau zwischen 200 und 800 V) das aktuell gängigere Konzept darstellt, wird dieses im Folgenden beispielhaft betrachtet. Abb. 2.1 zeigt schematisch den beschriebenen Aufbau eines elektrischen Antriebsstranges.
David Bauer

Kapitel 3. Verlustleistungen in elektrischen Maschinen und deren Bedeutung

Innerhalb dieses Kapitels werden die einzelnen Verlustarten vorgestellt, die thermischen Auswirkungen genauer beschrieben und sich daraus ableitende Wirkzusammenhänge für den Auslegungs- und Berechnungsprozess ermittelt. Anschließend folgt ein Überblick der aktuell gängigen Berechnungsmethoden.
David Bauer

Kapitel 4. Untersuchtes Maschinenmuster

Innerhalb dieses Kapitels wird das in dieser Arbeit betrachtete Maschinenmuster (Bezeichnung PSM A) kurz vorgestellt. Es handelt sich hierbei um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, welche bereits in Serie in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt wird. Abb. 4.1 zeigt die komplette Maschine und den dazugehörigen Blechschnitt. Die Maschine besitzt eine Wassermantelkühlung am Statoraußendurchmesser.
David Bauer

Kapitel 5. Thermische Modelle

Hinsichtlich der thermischen Modellierung einer elektrischen Maschine sind zwei Ansätze möglich. Zum einen die Berechnung mittels FEM, FVM* oder CFD†. Zum anderen thermische Netzwerkmodelle, die sich im Allgemeinen durch eine geringere räumliche Auflösung kennzeichnen. Mittels der erstgenannten Methoden ist die Wärmeleitung (FEM und FVM) und die Konvektion (CFD) direkt berechenbar.
David Bauer

Kapitel 6. Verlustanalyse und Schnittstelle zur thermischen Simulation

Als Kupfer- oder Wicklungsverluste werden alle in der Wicklung einer elektrischen Maschine auftretenden Stromwärmeverluste bezeichnet. Diese resultieren aus dem spezifischen Widerstand und den geometrischen Abmessungen des stromdurchflossenen Materials, sowie der anliegenden Stromstärke. Je nach Maschinentyp variiert die Art und Anzahl der Wicklungen. Stromwärmeverluste in notwendigen Anschlussleitungen werden im Allgemeinen auch als Kupferverluste bezeichnet und müssen in der Verlustbilanz berücksichtigt werden. In der Praxis werden die Kupferverluste oft hinsichtlich ihres Entstehungsortes unterschieden.
David Bauer

Kapitel 7. Gesamtmaschinenvalidierung: Verluste und Temperaturen

Im folgenden Kapitel sollen die vorangegangenen Berechnungsergebnisse und erarbeiteten Methoden zusammenfassend validiert werden. Als Basis dient das vorgestellte Maschinenmuster PSM A, gekennzeichnet durch die gute Drahtlage (siehe Kapitel 4 bzw. Abschnitt 6.1.4). Die Validierung erfolgt sowohl hinsichtlich der Verluste als auch hinsichtlich der Temperaturberechnung anhand der durchgeführten Leerlauf- und Kurzschlussversuche.
David Bauer

Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich ausführlich mit der Verlustberechnung und der resultierenden Schnittstelle zu thermischen Netzwerkmodellen bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen, welche in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Es wird herausgearbeitet, dass für eine genaue Ermittlung der Maschinentemperatur neben einer exakten Verlustberechnung auch eine lokale Verlusteinspeisung mit lokaler Verlustskalierung im thermischen Modell nötig ist. Die genaue Vorhersage der auftretenden Temperaturen erlaubt eine optimierte Auslegung und bessere Ausnutzung der Maschine (Bsp.: Dauerleistung oder Entmagnetisierung).
David Bauer

Backmatter

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