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High-speed permanent magnet motor with immersion evaporative cooling

Bi, Liuxin

FG Elektrische Antriebstechnik

High-speed permanent magnet synchronous machines (PMSM) feature their excellent electrical performance are the most competitive and widely used motor type for direct driving compressors. However, accurate calculation of the losses, efficient cooling method, and expanding the power limit have always been challenges. In this thesis, an immersion evaporative cooled high-speed PMSM prototype with HFE-7100 as the coolant has been designed, built, and load tested. The loss models and thermal models have been established and verified. A new high-frequency iron loss model was used to calculate the iron losses, considering the punching and burrs' connection effects. The iron losses of a bonded stator core (silicon steel laminations are stacked by glue) with three different magnetized rotors (sinusoidal magnetization, radial magnetization with a full magnet pitch, and radial magnetization with a reduced magnet pitch of 0.85) have been measured to verify the calculation method of iron losses. Among the three magnetizations, the last one is the best choice for the high-speed surface-mounted PMSM from the point of view of iron losses and output power capacity. The measured additional iron losses caused by welding and radial pressure show that the manufacturing factors greatly influence iron losses. The welded stator core with ventilation ducts and end plates used in the prototype introduces too much additional iron losses and should be avoided for high-speed motors. A new method for determining air friction losses of high-speed permanent magnet machines has been proposed to compensate for the systematic errors caused by temperature rise and effectively improve the accuracy. The air friction losses with different air gap lengths have been studied experimentally. The retardation method was used to separate losses and determine the stator iron losses, air friction losses, and the iron losses in the rotor of magnetic bearings. A series connection of windings has been proposed to minimize the influence of iron losses on AC resistance measurement. The calculated results of the AC to DC resistance ratio in random-wound windings agree with the experimental results. A thermal network model for stator with immersion evaporative cooling method has been established and verified. The thermal loading limit of this cooling method has been deduced. The effects of non-condensable gas (air), finned tubes, and fixation bandage of end windings on heat transfer were studied experimentally. The axial extension of the magnet can increase the typically low air gap flux density of high-speed surface-mounted PMSM. The final experimental results show that the immersion evaporative cooling method can significantly enhance the thermal loading and expand the high-speed motors' power limit. Calorimetry was used to determine the motor's efficiency, and the results prove the accuracy and effectiveness of the loss models presented in this thesis.
Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) zeichnen sich durch ihre hervorragende elektrische Leistung aus und sind die wettbewerbsfähigsten und am weitesten verbreiteten Motortypen für direkt angetriebene Kompressoren. Die genaue Berechnung der Verluste, eine effiziente Kühlmethode und die Erweiterung der Leistungsgrenze waren jedoch schon immer Herausforderungen. In dieser Arbeit wurde ein tauchverdunstungsgekühlter Hochgeschwindigkeits-PMSM-Prototyp mit HFE-7100 als Kühlmittel entworfen, gebaut und unter Last getestet. Die Verlustmodelle und thermischen Modelle sind erstellt und verifiziert. Zur Berechnung der Eisenverluste unter Berücksichtigung der Stanz- und Gratverbindungseffekte wurde ein neues Hochfrequenz-Eisenverlustmodell verwendet. Die Eisenverluste eines geklebten Statorblechpackets (Siliziumstahlbleche werden durch Klebstoff gestapelt) mit drei unterschiedlich magnetisierten Rotoren (sinusförmige Magnetisierung, radiale Magnetisierung mit voller Magnetteilung und radiale Magnetisierung mit einer reduzierten Magnetteilung von 0,85) wurden gemessen, um die Berechnungsmethode der Eisenverluste zu überprüfen. Unter den drei Magnetisierungen ist die letzte die beste Wahl für das oberflächenmontierte Hochgeschwindigkeits-PMSM im Hinblick auf Eisenverluste und Ausgangsleistungskapazität. Die gemessenen zusätzlichen Eisenverluste, die durch das Schweißen und den Radialdruck verursacht werden, zeigen, dass die Fertigungsfaktoren die Eisenverluste stark beeinflussen. Der im Prototyp verwendete geschweißte Statorblechpacket mit Lüftungskanälen und Endplatten bringt zu viel zusätzliche Eisenverluste und sollte für schnelllaufende Motoren vermieden werden. Es wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung der Luftreibungsverluste von Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmaschinen vorgeschlagen, um die durch Temperaturanstieg verursachten systematischen Abweichungen zu kompensieren und die Genauigkeit effektiv zu verbessern. Die Luftreibungsverluste bei unterschiedlichen Luftspaltlängen wurden experimentell untersucht. Die Retardationsmethode wurde verwendet, um die Verluste zu trennen und die Eisenverluste des Stators, die Luftreibungsverluste und die Eisenverluste im Rotor von Magnetlagern zu bestimmen. Um den Einfluss von Eisenverlusten auf die AC-Widerstandsmessung zu minimieren, wurde eine Reihenschaltung von Wicklungen vorgeschlagen. Die berechneten Ergebnisse des AC-DC-Widerstandsverhältnisses in wild gewickelten Wicklungen stimmen mit den experimentellen Ergebnissen überein. Ein thermisches Netzwerkmodell für Statoren mit Tauchverdunstungskühlverfahren wurde erstellt und verifiziert. Die thermische Belastungsgrenze dieser Kühlmethode wurde abgeleitet. Die Auswirkungen von nicht kondensierbarem Gas (Luft), Rippenrohren und Fixierbandage von Wickelköpfen auf die Wärmeübertragung wurden experimentell untersucht. Die axiale Verlängerung des Magneten kann die typischerweise niedrige Luftspaltflussdichte von oberflächenmontierten Hochgeschwindigkeits-PMSM erhöhen. Die abschließenden Versuchsergebnisse zeigen, dass das Tauchverdunstungskühlverfahren die thermische Belastung deutlich erhöhen und die Leistungsgrenze der Hochdrehzahlmotoren erweitern kann. Kalorimetrie wurde verwendet, um den Wirkungsgrad des Motors zu bestimmen, und die Ergebnisse belegen die Genauigkeit und Wirksamkeit der in dieser Arbeit vorgestellten Verlustmodelle.