Perspective of Thermal Analysis and Management for Permanent Magnet Machines, with Particular Reference to Hotspot Temperatures

Abstract

Permanent magnet (PM) machines have been extensively used for various applications. Nevertheless, thermal effect, particularly hotspot temperature, not only severely restricts power/torque density but also leads to deteriorations in electromagnetic performance, service life, and reliability. Starting with foundations of PM machines and heat transfer mechanisms, this paper reviews the development of thermal analysis methods over the last thirty years and the state-of-the-art research achievements, and the hotspot temperatures of winding and PM are particularly evaluated. In the overview, various machine losses and cooling techniques are first introduced, which are the essential reasons for temperature rise and the most straightforward way to remove the generated heat. Afterwards, the mainstream thermal analysis techniques, i.e., numerical techniques, lumped-parameter thermal model, and hybrid thermal models, as well as the online electrical parameter-based and thermal model-based temperature monitoring techniques, are reviewed and assessed in depth. In addition, this paper also reviews the analytical thermal modelling methods for winding and PM. Finally, future research trends are highlighted.

Sensitivity Analysis and Uncertainty Quantification of Thermal Behavior for Permanent Magnet Synchronous Machines

“…In terms of internal convection heat transfer within end space, it has been extensively investigated [9], [14], and [23]. The CHTCs of the end surfaces of the PM ℎ , the endwinding (EW) ℎ , the stator core (SC) ℎ , the end-plate (EP) ℎ , as well as the heat transfer path of airgap (AG) ℎ , can be calculated as [6]: where 𝑣 and 𝐿 are the peripheral speed of the rotor and the airgap length, respectively. 𝑁𝑢 is the Nusselt number within airgap region and determined by the Taylor or modified Taylor number [9].…”

New Solutions for Making Electric Machines With High Specific Powers for Propulsion Systems of Electric and Hybrid Vehicles

“…Schimbător de căldură ceramic printat 3D pentru răcirea unui stator cu înfășurări concentrate [4]  Grosimea pereților: 0,8 mm Conductor electric Litz cu tub de oțel încorporat pentru circuitul de răcire (motor de 205 kW, 6000 rpm) Canale de răcire forțată indirectă cu lichid dispuse în arborii mașinilor sincrone cu magneți permanenți [2]  Răcire recomandată pentru reducerea temperaturii magneților permanenți. Forțele centrifuge avorizează disiparea căldurii: a) Răcire directă; b) Răcire cu recirculare (are un coeficient de transfer a căldurii mai bun).…”

“…Forțele centrifuge avorizează disiparea căldurii: a) Răcire directă; b) Răcire cu recirculare (are un coeficient de transfer a căldurii mai bun). Circuit de răcire forțată directă cu lichid la mașinile sincrone cu magneți permanenți [2]  Cu imersia statorului (uleiul înlocuiește aerul pentru un transfer de căldură superior) Rotorul poate fi și el imersat în ulei.…”

“…14 Răcirea forțată directă prin pulverizare la mașinile sincrone cu magneți permanenți [2]  Răcirea prin pulverizare are performanțe superioare răcirii prin imersie (folosită la Toyota Prius HEV în 2017). Miezuri magnetice rotorice de mașini electrice realizate prin tehnologia fabricației aditive -Exemple [5]  Miez magnetic rotoric pentru motoare sincrone cu magneți permanenți -masă redusă cu 50%.…”

“…Conductor electric Litz cu tub de oțel încorporat pentru circuitul de răcire (motor de 205 kW, 6000 rpm 8 Canale de răcire forțată indirectă dispuse în capetele de bobină ale unei mașini electrice[2]  Canal de răcire cuprins în capetele de bobină. Lichide de răcire: apă, glicol cu apă sau ulei de motor -se preferă apa datorită capacității ei mari de absorbție a căldurii…”