Multi-Physics Design of High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machines for Hydrogen Fuel Cell Air Compressors

In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen kann Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff zu Wasser reagieren und elektrische Energie gewonnen werden. Um die Leistungsdichte von diesen Brennstoffzellen zu steigern, wird der Sauerstoff diesen mit erhöhtem Druck zur Verfügung gestellt. Dazu können elektrisch angetriebene Radialverdichter verwendet werden, da sie eine besonders hohe Effizienz aufweisen. Hierzu werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen verwendet. Die Auslegung und Dimensionierung eines solchen Systems ist eine gebietsübergreifende Aufgabe und beinhaltet die Auslegung der Strömungsmaschine, die Festigkeitsberechnung des Rotorverbandes, die elektromagnetische Auslegung der elektrischen Maschine und die thermische Berechnung.
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Dazu wird in dieser Arbeit ein effizienter, multiphysikalischer Ansatz für die Auslegung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen vorgestellt. Die aerodynamische Auslegung beruht auf einer Skalierung von bestehenden Systemen und umfasst sowohl die Skalierung des Radialverdichters als auch die Skalierung der Turbine, welche genutzt werden kann um Energie aus dem Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle zu gewinnen. Weiter wird ein analytischer Ansatz vorgestellt zur Festigkeitsberechnung der Rotorbandage. In der elektromagnetischen Auslegung wird ein Ansatz entwickelt, der die Besonderheiten einer Hochdrehzahlmaschine abbildet. Der Ansatz nutzt neuronale Netze, welche mit Finite Elemente Berechnung erzeugt wurden, um die großen Luftspalte und die Krümmung der Maschinen effizient zu berücksichtigen, welche in den bekannten Ansätzen aus der Literatur nicht berücksichtigt werden. Die Auslegung wird damit vervollständigt, dass die Maschinenverluste bestimmt werden. Dazu sind analytische Ansätze beschrieben, die unter anderem die Stator Eisenverluste und die Wirbelstromverluste im Rotor berücksichtigen. In einer thermischen 2D Finite Elemente Berechnung werden die Bauteiltemperaturen der elektrischen Maschine bestimmt. Der vorgestellte Modellbildungsansatz wird mit einer entwickelten und gebauten Maschine validiert. Es kann gezeigt werden, dass der Modellierungsansatz sehr gute Übereinstimmungen mit den Auslegungsergebnissen der Referenzmaschine zeigt. Im Anschluss wird der Modellierungsansatz für verschieden Studien genutzt. Dabei wird unter anderem der Einfluss des Bandagenmaterials untersucht, welchen Einfluss die Rotorumfangsgeschwindigkeiten auf die Auslegung haben und wie sich zusätzliche Optimierungskriterien auf die Auslegung der Maschine auswirken.

In proton exchange membrane fuel cells, hydrogen can react with oxygen to form water and generate electrical energy. In order to increase the power density of these fuel cells, the oxygen is supplied at increased pressure. Electrically driven radial compressors can be used for this purpose, as they are particularly efficient as they are driven by permanent magnet synchronous machines. The design and dimensioning of such a system is an interdisciplinary task and includes the design of the turbomachinery, the strength calculation of the rotor assembly, the electromagnetic design of the electric machine and the thermal calculation of the machine. ... mehrFor this purpose, an efficient, semi-analytical, multi-physical approach for the design of permanent magnet synchronous machines is presented in this work. The aerodynamic design is based on a scaling of existing systems and includes both the scaling of the centrifugal compressor and the scaling of the turbine, which can be used to recover energy from the exhaust gas mass flow of the fuel cell. An analytical approach for calculating the stresses in the rotor sleeve is also presented. In the electromagnetic design, an approach is developed that models the properties of a high-speed electric machine. The approach uses neural networks trained with results from finite element analysis to efficiently consider the effect of the large air gaps and the curvature of the machines, which are not considered in the known approaches from literature. The magnetic domain is completed by determining the machine losses. Analytical approaches are described for this purpose, including the stator iron losses and the eddy current losses in the rotor. The component temperatures of the electrical machine are determined in a thermal 2D finite element calculation. The presented modeling approach is validated with a developed and built machine. It can be shown that the modeling approach is in very good agreement with the design results of the reference machine. The modeling approach is then used for various studies. The influence of the sleeve material, the influence of the rotor circumferential speeds on the design and the influence of additional optimizing criteria on the machine design are investigated and presented.