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Numerische Analyse der Strömung am Eintritt des Luftspalts einer permanenterregten Synchronmaschine

Numerical analysis of the flow at the inlet of the air gap of a permanent magnet synchronous machine

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e & i Elektrotechnik und Informationstechnik Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Für die thermische Absicherung elektrischer Maschinen in einer möglichst frühen Phase des Entwicklungsprozesses werden verschiedene Simulationsmethoden angewendet. Während die Wärmeleitung in den Bauteilen eindimensional berechnet werden kann, sind für den Wärmeübergang zum Innenraum der elektrischen Maschine detaillierte dreidimensionale CFD-Simulationen notwendig. Diese werden insbesondere zur Berechnung der Strömungsvorgänge im Innenraum der elektrischen Maschine genutzt. Abhängig vom Kühlkonzept der E‑Maschine handelt es sich um einphasige Luftströmungen oder eine zweiphasige Strömung bestehend aus dem verwendetem Kühlmedium und Luft.

Diese Arbeit fokussiert sich auf die einphasigen Strömungsvorgänge im Luftspalt permanenterregter Synchronmaschinen. Es wird gezeigt, wie die Strömung den Austausch zwischen Luftspalt und den beiden Stirnräumen des Elektromotors beeinflusst. Anhand detaillierter dreidimensionaler CFD-Simulationen wird die turbulente Strömung im Luftspalt und dessen Eintrittsgebiet analysiert. Dabei wird sowohl der Einfluss der genuteten Statoroberfläche auf die Taylor-Couette-Strömung im Luftspalt als auch der Einfluss der Spalteintrittströmung auf die sich ausbildende Strömungsform im Luftspalt untersucht.

Abstract

The thermal analysis of electrical machines in an early development phase is done by means of various simulation methods. The heat conduction in the solid components can, for example, be calculated one-dimensionally, whereas detailed three-dimensional CFD simulations are necessary for the heat transfer to the interior of the electrical machine. These are particularly used to calculate the flow processes inside the electrical machine. There are single-phase air flows and two-phase flows consisting of the cooling medium and the air inside. The decision on which approach has to be used depends on the cooling concept of the electrical machine.

This paper presents a numerical analysis of the single-phase flow in the narrow air gap of permanent magnet synchronous machines. It shows a flow phenomenon, which determines the interaction between the flow in the air gap and the flow in the two front spaces of the electric motor. Using detailed three-dimensional CFD simulations, the turbulent flow in the air gap and at its inlet is analyzed, examining the influence of the grooved stator surface and the flow phenomenon presented on the Taylor-Couette flow in the air gap.

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Authors and Affiliations

  1. Mercedes-Benz AG, Mercedesstraße 137, 70327, Stuttgart, Deutschland

    Vinzent Meier, Christopher Beck, Christian Krüger & Martin Ernst

  2. TU Darmstadt, Darmstadt, Deutschland

    Christian Hasse

Authors
  1. Vinzent Meier
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  2. Christopher Beck
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  3. Christian Krüger
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  4. Martin Ernst
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  5. Christian Hasse
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Meier, V., Beck, C., Krüger, C. et al. Numerische Analyse der Strömung am Eintritt des Luftspalts einer permanenterregten Synchronmaschine. Elektrotech. Inftech. 139, 222–229 (2022). https://doi.org/10.1007/s00502-022-01001-8

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