Numerische Berechnung der Strömungs- und Temperaturverhältnisse. rippengekühlten Elektromotor

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1 Numerische Berechnung der Strömungs- und Temperaturverhältnisse in einem rippengekühlten Elektromotor Dipl.-Ing. Matthias Föse AEM ANHALTISCHE ELEKTROMOTORENWERK DESSAU GmbH Dipl.-Ing. Bastian Schoeneberg CFX Berlin Software GmbH 1

2 MOTOREN UND GENERATOREN Sondermaschinenbau von 200kW bis 4,5MW Typ SE 450 L4 Jede Maschine wird nach den Wünschen und Anforderungen des Kunden ausgelegt und konstruiert. Typ SF 450 S4 Typ SE 500 S8 Typ RS 450 L8 2

3 BAUREIHENÜBERARBEITUNG UND OPTIMIERUNG Dreiphasen-Asynchronmotor Type RH 400 M4 Technische Daten: Ausführung Kurzschlußläufer Leistung 400kW Nennspannung 400 V D Nennstrom 666A Wirkungsgrad 95,2% Leistungsfaktor 0,91 Drehzahl 1491R/min Drehmoment 2564Nm 3

4 BAU UND TEST EINER MUSTERMASCHINE Messung von: -Temperatur - Strömung -Verlustleistungen bei - Leerlauf - Nennlast 4

5 ÜBERBLICK Gegenstand der Untersuchungen: Dreiphasiger Asynchronmotor Typ RH 400 M4 Ziele: Wärmetransport im Motor berechnen Mögliches Optimierungspotenzial identifizieren Abgleich der Simulationen mit Messergebnissen 5

6 GEOMETRIE Aufbereiten der Geometrie für die Vernetzung: Werkzeug: ANSYS SpaceClaim Direct Modeler Extraktion vereinfachter Strömungs- und Festkörpervolumina Aufteilung in rotierende, stehende und poröse Bereiche Original Aufbereitet 6

7 GEOMETRIE Ausnutzen der Periodizität: 7

8 VERNETZUNG Unstrukturierte Vernetzung mit ANSYS Meshing Kombination verschiedener Vernetzungsmethoden Automatische Kontaktsuche Prismenelemente zur Grenzschichtauflösung Insgesamt 17 Mio. Tetraeder, Prismen und Hexaeder (entspricht ca. 6 Mio. Knoten) 8

9 VERNETZUNG Nachfolgende Darstellungen: alle periodischen Bereiche zum Vollkreis kopiert! 9

10 Stahl Lack Stahl PHYSIKALISCHES SETUP Modellierung der Laminierung in Rotor und Stator: Reihenschaltung thermischer Widerstände: l Gesamt Gesamt lfe Fe l Epox Epox Auf 10% reduzierte Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Rotationsachse Modellierung der Statorwicklung: Poröses Medium Druckverlust: Wärmeübergang: D l Q p tot 2 v fluid solid 2 A T fluid T solid z 10

11 PHYSIKALISCHES SETUP Vorgabe der elektrischen Verluste als Wärmequellen: Aufteilung auf die verschiedenen Geometriebereiche erfolgt durch Erfahrung oder Auslegungswerkzeuge Berechnung von zwei Lastfällen: Leerlauf und Volllast Weitere Wärmequellen: Lagerreibung: wird geschätzt Lüfterverluste: Teil der Lösung 11

12 ERGEBNISSE Schnittebene durch die Rotationsachse Geschwindigkeit im stehenden Bezugssystem Drallfreie und homogene Zuströmung Rezirkulationsgebiet im Haubeninneren Geschwindigkeit [m/s]

13 ERGEBNISSE Radiale Schaufelstellung führt zu Ablösung auf Schaufelrückseite 13

14 ERGEBNISSE Ausströmung aus der Haube Über 83 % des Förderstromes strömt in die Rippenkanäle Restliche Strömung entweicht nach außen und bleibt verdrallt 14

15 ERGEBNISSE 15

16 ERGEBNISSE Temperaturfeld im Mittelschnitt Unterschiedliche Skalierung beachten. Überproportionale Temperaturerhöhung im Rotor, da Verlustleistungen gegenüber Leerlauf hier stark erhöht wurden. T bei Leerlauf: C T im Lastfall: C 16

17 MESSWERTVERGLEICH Vergleich der Gehäuseüberströmung Bedingte Vergleichbarkeit, da Klemmkasten in Messung fehlte 17

18 MESSWERTVERGLEICH Temperaturfeld auf Gehäuseoberfläche - Leerlauf Thermokamera CFD-Simulation 18

19 Temperatur [ C] MESSWERTVERGLEICH Temperaturverlauf in den inneren Kühlkanälen Gute Übereinstimmung mit gemessenen Werten Abweichungen nur wenige Prozent, können durch getroffene Modellannahmen erklärt werden Länge [mm] Volllast (Messung) Leerlauf (Messung) Volllast CFD Leerlauf (CFD) 19

20 VALIDIERUNG DER VERLUSTE Validierung der räumlichen Verlustverteilung durch elektromagnetische Simulation mit ANSYS Maxwell Magnetisches Vektorpotential 20

21 VALIDIERUNG DER VERLUSTE Validierung der räumlichen Verlustverteilung durch elektromagnetische Simulation mit ANSYS Maxwell Zeitlich gemittelte Kernverluste [W/m³] 21

22 ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK Aktuelles Berechnungsmodell: Stationäre Berechnungen eines rippengekühlten E-Motors der Firma AEM Berücksichtigung der äußeren Gehäuseüberströmung Ausnutzung der Periodizität im Motorinneren Manuelle Vorgabe der elektrischen Verluste als Wärmequellen in definierten Bereichen von Rotor und Stator Geplantes weiteres Vorgehen: Elektromagnetische Berechnung ebenfalls in 3D Direkte Kopplung an die Strömungsberechnung 22

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