High-Speed Permanent Magnet Motor
with Immersion Evaporative Cooling
vorgelegt von
M.Sc.
Liuxin Bi
an der Fakultät IV- Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Clemens Gühmann
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Uwe Schäfer
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Felix Ziegler
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Shanming Wang
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 30. Juli 2021
Berlin 2021
ACKNOWLEDGEMENTS
This dissertation is the fruit of my five years of hard work as a Ph.D. student at the
Department of Electrical Drives (EA) in TU-Berlin.
First and foremost, I would like to thank my supervisor, Professor Dr.-Ing. Uwe Schae-
fer for his valuable guidance, inspiring advice, and firm support throughout my Ph.D.
career. Moreover, thanks for his careful revising and reviewing of this dissertation.
I would also like to thank Professor Dr.-Ing Shanming Wang for his encouragement
and help in starting my unforgettable Ph.D. journey.
During my study in Berlin, I would also like to express my sincere gratitude to Tao
Wang, Shouhui Ni, Shan Zhu, and Dr.-Ing Rong Dong for their academic exchanges
and warm help in life.
I would also like to thank Tianjin EMAGING Technology Co., Ltd for their help in the
prototype manufacturing, testing, and permit to publish the relevant research results.
Finally, I would like to thank my wife, son, and parents for their endless support.
ii
Abstract
High-speed permanent magnet synchronous machines (PMSM) feature their excellent
electrical performance are the most competitive and widely used motor type for di-
rect 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 tem-
perature 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.
iii
Kurzfassung
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 Mag-
netisierung, radiale Magnetisierung mit voller Magnetteilung und radiale Magnetisierung
mit einer reduzierten Magnetteilung von 0,85) wurden gemessen, um die Berechnungsmeth-
ode 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 Eisenver-
luste, die durch das Schweißen und den Radialdruck verursacht werden, zeigen, dass
die Fertigungsfaktoren die Eisenverluste stark beeinflussen. Der im Prototyp verwen-
dete 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 Tem-
peraturanstieg 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 Luftrei-
bungsverluste 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), Rippen-
rohren und Fixierbandage von Wickelköpfen auf die Wärmeübertragung wurden ex-
perimentell untersucht. Die axiale Verlängerung des Magneten kann die typischerweise
niedrige Luftspaltflussdichte von oberflächenmontierten Hochgeschwindigkeits-PMSM
erhöhen.
Die abschließenden Versuchsergebnisse zeigen, dass das Tauchverdunstungskühlver-
fahren die thermische Belastung deutlich erhöhen und die Leistungsgrenze der
iv
Hochdrehzahlmotoren erweitern kann. Kalorimetrie wurde verwendet, um den Wirkungs-
grad des Motors zu bestimmen, und die Ergebnisse belegen die Genauigkeit und Wirk-
samkeit der in dieser Arbeit vorgestellten Verlustmodelle.
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