Auslegung einer flussschaltenden Maschine mit magnetisch großem Luftspalt

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-04-19
Issue Year
2021
Authors
Lindner, Andreas
Editor
Abstract

The topic of the dissertation is the design of a small power electrical machine which incoporates a large air-gap. The large air-gap is an requirement of the application and it is challenging in terms of the magnetical and thermal design of the electrical machine. Based on the comparison of typical characteristics of permanent magnet synchronous machines it is decided to use the flux-switching permanent magnet machine (FSPMM) for the application. In the magnetical design several design modifications like a comparison of the performance of different FSPMM-types and a pole-pair reduction have been investigated in detail to meet the requirements of the application. To improve the magnetical performance of the machine an optimization algorithm based evolutionary optimization has been developed and applicated. With the optimized shape of the steel lamination an increase of torque was achieved. However, relevant torque values are only possible with increased current densities and therefore elevated cooling requirements of the machine. For this, passive cooling strategies and potential of FSPMM self-cooling was investigated by means of thermal measurements. For the improvement of heat dissipation the end-winding of the FSPMM-prototype was potted. Moreover, a loss analysis was carried out and an adapted procedure for the calculation of iron losses was presented. For design verification a FSPMM-prototype with an enhanced passive cooling system was build up and measured on a test-bench. From the gained results it can be concluded that the measures which were taken to improve the magnetical and thermal behavior of the FSPMM could meet the requirements of the application.

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung und Auslegung einer elektrischen Kleinmaschine mit einer für die Baugröße der Maschine überproportional großen Luftspaltlänge. Diese ist durch die Randbedingungen der Anwendung vorgegeben und stellt sowohl aus magnetischer als auch aus thermischer Sicht eine Herausforderung für die Maschinenauslegung dar. Auf Basis eines Vergleichs von typischen Maschineneigenschaften permanenterregter Synchronmaschinen wurde die flussschaltende Permanentmagnetmaschine (FSPMM) für die Applikation ausgewählt. Anschließend wurden Anpassungen in der magnetischen Auslegung der FSPMM wie z.B. Auswahl und Vergleich des FSPMM-Designs und Polpaarreduktion speziell für die Anwendung im Detail vorgenommen. Zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften wurde zudem der Blechschnitt der Maschinen mithilfe eines auf evolutionärer Entwicklung basierenden Optimierungsverfahrens optimiert. Hierbei konnte eine Erhöhung des Drehmoments der Maschine durch einen verbesserten Blechschnitt erzielt werden. Es zeigte sich aber auch, dass relevante Drehmomente nur mit erhöhten Stromdichten und dementsprechenden Anforderungen an das Kühlsystem der elektrischen Maschine erreicht werden konnten. Hierfür wurde neben umfangreichen Untersuchungen zur passiven Kühlung von elektrischen Maschinen mithilfe von Heatpipes auch das Potential der Eigenkühlung der FSPMM durch den Schenkelpolrotor mittels thermischer Messungen betrachtet. Zudem wurde auch eine Verbesserung der thermischen Anbindung der FSPMM-Statorwicklung an die Umgebung mittels eines einfachen Fertigungsschrittes - dem Wickelkopfverguss - erzielt. Weiterhin erfolgte im Verlauf der Arbeit eine detaillierte Analyse von Verlustleistungsquellen der Maschine, wobei ein angepasstes Verfahren zur Ermittlung der Eisenverluste vorgestellt wurde. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurde ein FSPMM-Prototyp mit einem einfachen und robusten passiven Kühlsystem aufgebaut und an einem Prüfstand gemessen. Es zeigte sich hierbei, dass mit den vorgenommenen Änderungen am magnetischen Design und dem angepassten thermischen System die Antriebsaufgabe mit magnetisch großer Luftspaltlänge erfüllt werden kann.

DOI
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