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Increasing the power density of speed variable electrical machines: cooling and thermal heat flow
2024
Dissertation, RWTH Aachen University, 2023
Abweichender Titel auf dem Buchrücken
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-02
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cooling (frei) ; electromagnetic simulation (frei) ; induction machine (frei) ; losses (frei) ; thermal design (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die Realisierung einer hohen Leistungsdichte ist eine häufig vorzufindende Anforderung im Auslegungsprozess elektrischer Maschinen. In der Grundlagenliteratur wird ein Zusammenhang zwischen der Kühlmethode und der Leistungsdichte elektrischer Maschinen im Netzbetrieb hergestellt. Neuere Anwendungen erfordern den Einsatz von drehzahlvariablen Antrieben, die von Frequenzumrichtern gespeist werden. Die Zusammenhänge zwischen Kühlkonzept und Leistungsdichte bei drehzahlvariablen elektrischen Maschinen sind komplizierter als im drehzahlunabhängigen Fall. Die Verlustmechanismen werden durch frequenzabhängige Effekte beeinflusst. Diese Effekte führen zusammen mit der drehzahl- und drehmomentabhängigen Regelung zu einer Abhängigkeit zwischen der Verlustverteilung in der Maschine und ihrem Betriebszustand. Verfügbare Auslegungsverfahren für elektrische Maschinen enthalten Vorschläge für die Dimensionierung der Maschine in Abhängigkeit der gewählten Kühlmethode. Eine detaillierte Analyse des maximalen Potenzials und der Limitierungen von Kühltechnologien ist nicht gegeben. Ein solcher Ansatz wird in der hier vorgestellten Arbeit verfolgt. Das maximale Potential zur Erhöhung der Leistungsdichte wird in Abhängigkeit der Kühlmethode und des Kühlmediums untersucht. Das ermittelte theoretisch hohe Potential zur Erhöhung der Leistungsdichte ist in realen Anwendungen begrenzt. Der Grund für diese Begrenzung wird in der Arbeit diskutiert. Es wird eine Methodik zur Auswahl von Stator- und Rotorkühlkonzepten in Abhängigkeit der gegebenen Anforderungen und Randbedingungen entwickelt. Der Einfluss der charakteristischen thermischen Parameter auf die Leistungsdichte wird untersucht. Ein Prototyp einer Asynchronmaschine wird auf Basis der vorgestellten Methodik entworfen, aufgebaut, vermessen und damit die zuvor dargelegten Schlussfolgerungen verifiziert.The realization of a high power density, is a frequently discussed requirement in the design process of electrical machines. A fundamental relationship between cooling methodology and power density of electrical machines with fixed operational frequencies is introduced in basic machine handbooks. More recent applications require the usage of speed variable drives that are fed by frequency inverters. The inter-dependencies between cooling concept and power density of speed variable electrical machines are more complicated than the speed independent case. The loss mechanisms are influenced by frequency-dependent effects. Those effects, in addition to the speed- and torque-dependent control strategy lead to a dependency between loss distribution in the machine and their operational condition. Available design procedures for electrical machines include suggestions for the machine design in dependency of the selected cooling technology. A detailed analysis of the maximum potential and the limitations of a cooling technology is not given. Such an approach is performed in the here presented work. The maximum potential to increase the power density is studied depending on the cooling mode and the cooling medium. The determined theoretically high potential to increase the power density is limited in real applications. The reason for this limitation is discussed within the thesis. A methodology to select stator and rotor cooling concepts depending on the given requirements and boundary conditions is developed. The influence of characteristic thermal parameters on power density is studied. A prototoype induction machine is designed, built up, and measured based on the presented methodology to verify the given statements.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030693431
Interne Identnummern
RWTH-2024-02845
Datensatz-ID: 981189
Beteiligte Länder
Germany
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