Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem neuartigen thermischen Netzwerk-Modell für elektrische Maschinen, insbesondere permanentmagneterregten Synchronmaschinen mit Wassermantelkühlung, die als Antriebsmaschine in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Das thermische Modell wird unter dem Gesichtspunkt entwickelt, dass damit im Sinne einer inversen Methode ungenaue Verlustdaten und Modellparameter, wie z.B. Wärmeübergangskoeffizienten, auf Basis entsprechender Messdaten rekonstruiert werden können. Der besondere Fokus liegt dabei auf der Rekonstruktion der Ummagnetisierungsverluste, deren genaue Berechnung oft sehr schwierig ist. Das Modell wird mit einer frei wählbaren räumlichen Auflösung aufgebaut. Dadurch kann zum einen der Diskretisierungsfehler beherrscht werden und es wird insbesondere ein detaillierter Vergleich mit Messdaten an klar definierten Messpositionen möglich. Zur Behandlung von Kupferverlusten unter Berücksichtigung des Proximity-Effekts wird ein Ansatz eingeführt, der die Erhöhung und die Verschiebung der Verluste durch die Stromverdrängung erfasst und eine modifizierte Skalierung der Verluste mit der Temperatur beinhaltet. Mithilfe von FEM-Simulationen wird gezeigt, dass dieser Ansatz die Genauigkeit bei der Berechnung der Temperaturen entscheidend verbessert. Weiter wird das bekannte Modell für die Berechnung der äquivalenten Wärmeleitfähigkeit in der Nut mittels eines homogenen Ersatzkörpers dahingehend erweitert, dass die Fehlstellen in der Imprägnierung berücksichtigt werden. Das inverse Problem wird in einer numerischen Studie umfangreich untersucht. Es werden dabei günstige Vorgehensweisen herausgearbeitet, um Verluste möglichst robust und genau aus gegebenen Temperaturkurven zu rekonstruieren. Schließlich werden mit dem thermischen Modell auf Basis von Messdaten die Kupferverluste in einem Gleichstromversuch und die Eisenverluste im Kurzschlussbetrieb bei hoher Drehzahl (11000 rpm) rekonstruiert. Dies wird aufbauend auf der numerischen Voruntersuchung in verschiedenen Konfigurationen durchgeführt. Die Kupferverluste können dabei mit 3 % und die Eisenverluste mit 6 % Abweichung alleine aus den Temperaturkurven rekonstruiert werden. Es werden abschließend die Anknüpfungspunkte für weitere Verbesserungen aufgezeigt.


This thesis deals with a novel thermal network model for electrical machines, particularly for a permanent magnet synchronous machine with waterjacket cooling used in electric vehicle powertrains. The main aspect for the thermal model development in this work is the suitability for the usage with inverse parameter identification methods in order to determine losses and some themal model parameters (e.g. heat transfer coefficients) based on temperature measurments. The main focus is the reconstruction of the core losses, which are often difficult to calculate. The model has an arbitrary resolution in each spatial direction. This means that the discretization error can be controlled and that the comparison with temperature measurements at well defined measurment positions is possible in a very detailed manner. A new approach to account for the proximity-effect regarding loss distribution and a modified temperature scaling law is presented. FEA simulations show that this approach improves the accuracy of the thermal simulation decisively. Furthermore the known homogenization model for calculating the effective heat conductivity accros the slot region is improved accounting for gaps in the impregnation. The inverse problem is deeply analysed in a numerical study. Best practises are derived for the robust and accurate reconstruction of losses from temperature curves. Finally losses are reconstructed based on measurement data. Copper losses can be determined with an accuracy of 3 % based on a DC-Test and core losses in short circuit operation at 11000 rpm can be reconstructed with an accuracy of 6 %. Points of reference for further improvements are shown.

Schlagwörter: thermisches Modell; elektrische Maschine; inverse Methoden

Forschungsberichte Elektrische Antriebstechnik und Aktorik