Optimierung der Kühlkonzepte von luftgekühlten, gekapselten und thermisch hoch beanspruchten Traktionsasynchronmaschinen im Zielkonflikt der elektromagnetischen und thermischen Auslegung

Abstract

Die Anforderungen an die Traktionsasynchronmotoren im Nahbereichs-Schienenverkehr bezüglich der Leistungsdichte werden immer höher. In der vorliegenden Arbeit wird die Optimierung der Kühlkonzepte von luftgekühlten, gekapselten und thermisch hoch beanspruchten Traktionsasynchronmaschinen im Zielkonflikt der elektromagnetischen und thermischen Auslegung betrachtet. Ziel ist es, eine höhere Leistungs- bzw. Momentendichte der Traktionsmotoren durch Verbesserung der Kühlkonzepte zu erlangen. Kernthema dabei ist, die Auslegung des Blechschnittes der Asynchronmaschine dahingehend zu gestalten, dass die Kühllochanordnung im thermischen und elektromagnetischen Sinn optimal gestaltet ist. Anfangs wird ein Überblick über die nötigen Grundlagen und Randbedingungen bei der Gestaltung eines Blechschnittes erarbeitet. Ferner wird eine umfangreiche multiphysikalische Berechnungsmethode entwickelt, mit welcher alle möglichen Kühllochgeometrien betrachtet bzw. verglichen werden können. Damit werden ausführliche Berechnungen mit den verschiedensten Kühllochgeometrien durchgeführt, um eine optimale Kühllochgeometrie bzw. -anordnung zu eruieren. Dabei wird neben einer analytischen Strömungsberechnung eine thermische und elektromagnetische Finite Elemente-Simulation verwendet. Es wurde ein Versuchsmotor mit einem optimierten Schnittdesign aufgebaut und vermessen, um damit die durchgeführten theoretischen Überlegungen verifizieren zu können. Die äußerst positiven Ergebnisse und deren Auswirkungen auf die Motorauslegung werden ausführlichst diskutiert. Einleitend wird ein Überblick über die im Aktivteil der Asynchronmaschine verwendeten Materialien gegeben. Der Schwerpunkt wird auf das Dynamoblech gelegt. Bei den Materialien wird vor allem auf die Eigenschaften bei höheren Temperaturen eingegangen. Dazu werden einige Messungen vorgestellt, sowie der Einfluss der Temperaturabhängigkeit der Materialparameter auf das Betriebsverhalten des Traktionsmotors erarbeitet. Bei luftgekühlten, gekapselten und thermisch hoch beanspruchten Traktionsasynchronmaschinen treten relativ hohe Temperaturen an der Motoroberfläche auf. In der Dissertation wird erarbeitet, welchen Anteil Strahlung und natürliche Konvektion an der Motoroberfläche zur Kühlung der Maschine beitragen. Dazu werden umfangreiche Messungen durchgeführt. Bei bestimmten Arten von Maschinen wird der Statorwicklungswickelkopf mit einer gut wärmeleitfähigen Masse vergossen, um die Kühlung der Maschine zu verbessern. Es wird untersucht, ob dieser Wickelkopfverguss auch auf Traktionsasynchronmaschinen angewandt werden kann und welchen thermischen Einfluss dieser auf das gesamte Kühlverhalten der Maschine hat.

Induction machines tend to be used as traction motors for local railway transport. These machines are increasingly facing challenges due to the power density. In this thesis the optimization of the cooling concepts of air cooled, closed and thermal highly stressed traction induction motors with the target conflict between the electromagnetic and thermal design are being observed with the aim of achieving higher power and torque density of the traction motors by improving the cooling concepts. The core topic is the design of the induction machine lamination. It is crucial that the cooling hole arrangement is thermally and electromagnetically optimized. First of all, an overview of the foundations and underlying conditions for lamination design is given. Secondly, a multi-physics calculation method which aims at the calculation and comparison of various cooling hole geometries is being presented. Then, several calculations are conducted with different cooling hole geometries in order to an optimal cooling hole geometry and arrangement. The fluid mechanics calculations are done by analytic methods, the thermal and electromagnetic calculations are done by numerical methods (finite element simulations). To verify the theoretical assumptions, a test motor with optimized lamination has been built and evaluated. Subsequently, the exceedingly positive results and their significance for the motor design are being discussed. The introductory chapter provides an overview of the materials utilized in the active part of the induction motor. The focus is on the electrical sheets and the properties of respective materials at elevated temperatures. The measurements will be presented and the influence of temperature dependent material properties on the operation of the traction motors is being discussed. In the case of air cooled, closed and thermal highly stressed traction induction motors, elevated temperatures appear on the motor surface. This PhD thesis investigates the influence of radiation and natural convection on the cooling behaviour of the machine. Additionally, extensive measurements are being conducted. The potting of the stator winding overhang with a thermally well conducting material improves the thermal behaviour of certain kinds of electric motors. The use of the winding overhang potting for traction induction motors are subject to further investigation.