Thermische Modellierung permanentmagneterregter Synchronmaschinen mit wellenseitiger Öl-Sprühkühlung

Elektrische Maschinen mit einer hohen Leistungsdichte sind vor allem durch die Kühlleistung begrenzt. Die Öl-Sprühkühlung bietet eine Möglichkeit zur Steigerung der Leistungsdichte durch die direkte Benetzung der Wickelköpfe mit einem Kühlmedium. Die Vorausberechnung dieser Kühlwirkung war bisher jedoch nahezu unmöglich, wodurch der Auslegungsprozess erschwert wird.
In dieser Arbeit wird ein thermisches Modell einer permanenterregten Synchronmaschine mit wellenseitiger Öl-Sprühkühlung vorgestellt. Dabei wird für die Kugellager ein drehzahlabhängiges Modell entwickelt und für die Statorwicklung ein dreidimensionales Modell zur Ermittlung des Temperaturfelds vorgestellt. ... mehrBasierend auf einem binären Modellfluid werden Korrelationen für die lokalen als auch mittleren konvektiven Wärmeübergänge der Öl-Sprühkühlung an den Wicklungsenden aufgestellt, welche direkt im dreidimensionalen Modell der Statorwicklung genutzt werden können. Die Formation eines Sumpfs im Boden der Maschine reduziert die lokalen Wärmeübergänge signifikant und führt zu zusätzlichen Reibungsverlusten im Luftspalt.
Zur Validierung der Modelle wird eine permanenterregte Synchronmaschine mit wellenseitiger Öl-Sprühkühlung aufgebaut und hinsichtlich ihres Dauermoments untersucht. Durch die Anwendung der zuvor ermittelten Berechnungsvorschrift kann das Dauermoment mit einem mittleren absoluten prozentualen Fehler von 7% bestimmt werden. Mit einer maximalen Stromdichte von $30 \, \mathrm{A/mm^2}$ kann das Dauermoment der Maschine mit Öl-Sprühkühlung, bezogen auf eine reine Wassermantelkühlung, um bis zu 48% gesteigert werden.

Oil-spray cooling offers a way to increase the power density by directly wetting the end windings. However, the prediction of the cooling effect is almost impossible, complicating the design process.
In this work, a thermal model of a permanent magnet synchronous machine with shaft spray cooled end windings is presented. A speed-dependent approach is adopted for the ball bearings and a three-dimensional approach is developed for the stator winding to determine the temperature field. Based on a binary model fluid, correlations are established for the local as well as average convective heat transfers of oil spray cooled end windings, which can be used directly in the three-dimensional model of the stator winding. ... mehrThe formation of a sump in the bottom of the machine significantly reduces the local heat transfer and leads to additional air gap losses.
To validate the model, an oil-spray cooled permanent magnet synchronous machine is built and investigated with respect to its continuous torque. By applying the previously determined correlation, the continuous torque can be predicted with a mean absolute percentage error of 7%. With a maximum current density of $30 \, \mathrm{A/mm^2}$, the continuous torque of the oil-spray cooled machine can be increased by up to 48% relative to a water jacket cooling.