Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Improved Thermal Models for Predicting End Winding Heat Transfer
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electric Power and Energy Systems.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The thermal analysis is of primary importance for the design of any kind of electrical machine. The cooling has a significant impact on the electromagnetic performances and on the durability and reliability of the machine. One of the main thermal issues for AC machines is the cooling of the end windings, which usually appear to be the most important hotspots.The thermal analysis of the end space region of an electrical machine is mainly linked to the characterization of the convective heat transfers between the solid surfaces and the cooling fluid, normally air. This results in a very complex analysis, mainly because of the unpredictable turbulence which is generated inside the end space by the rotating surfaces, such as the rotor, the shaft and the wafters. Different relations have been proposed in the literature by several authors but the calculation of the heat transfer coefficients (HTC) is still mainly related to empirical correction factors, based on the experience.The aim of this work is to investigate the convection inside the end space region with the double objective of studying how the geometry influences the HTCs and of developing a new improved correlation for the computation of the HTCs.The study is conducted with the support of an advanced CFD software, ANSYS Fluent CFD. The Nissan Leaf motor is modelled and the volume of air inside the end-space region is extracted and simulated in different conditions. These includes the study of the channels/ducts underneath the end winding toroids, the variation in the wafters length, the evaluation of the impact of the housing and endcap distance from the end-windings and the study of the HTCs response to a variation in the rotor mechanical speed.The investigation leads, as a main result, to a dimensionless equation that links the Nusselt number to the rotational Reynolds number in the end-space region. This equation is supported by a table of coefficients to be selected depending on the wafters length and the considered surface of the end-space. The new relation still has to be validated with the support of experimental data. However, it is suitable of a direct application in commercial software that uses a lumped-parameter thermal network (LPTN) for the thermal analysis of electrical machines, such as Motor-CAD.

Abstract [it]

Lo studio termico è di primaria importanza in fase di progettazione per qualunque tipologia di macchina elettrica. Il raffreddamento ha infatti un impatto significativo sia sulle prestazioni elettromagnetiche che sulla durata di vita utile della macchina. Uno dei principali problemi per le macchine a corrente alternata è il raffreddamento delle testate (collegamenti frontali e posteriori degli avvolgimenti), le quali risultano essere dei punti caldi critici.L’analisi termica delle testate è principalmente legata alla caratterizzazione dello scambio termico convettivo tra le superfici solide, inclusi gli stessi collegamenti di fine avvolgimento, e il fluido di raffreddamento, generalmente aria. L’analisi risulta essere di particolare complessità soprattutto a causa dei fenomeni di turbolenza che si generano per effetto delle superfici rotanti, quali il rotore, l’asse e le eventuali alette di raffreddamento sulla superficie rotorica. Il calcolo del coefficiente di trasmissione termica (HTC) dovuto a fenomeni convettivi è stato affrontato da diversi autori e le correlazioni attualmente disponibili sono basate su coefficienti di natura empirica.Lo scopo del lavoro presentato in questa tesi è quello di investigare i fenomeni convettivi che si sviluppano nella zona compresa tra l’estremità assiale del pacco laminato, i coperchi di chiusura e l’alloggiamento (end-space region). Lo studio è condotto con il duplice obiettivo di analizzare le variazioni degli HTCs a seguito di modifiche apportate nella geometria e sviluppare una nuova e più accurata equazione per il calcolo degli HTCs.Il progetto è condotto con il supporto di un software CFD avanzato, ANSYS Fluent CFD, ed il modello implementato è costruito sulla base del motore utilizzato nella Nissan Leaf. Il volume di aria interno alla end-space region è estratto e simulato in diverse condizioni. Le simulazioni comprendono lo studio dei condotti tra i collegamenti di fine avvolgimento ed il pacco laminato, la variazione della lunghezza delle alette, la variazione della dimensione dell’alloggiamento e dei coperchi e lo studio degli HTCs a diverse velocità di rotazione della macchina.L’analisi conduce, tra i suoi risultati principali, alla definizione di un’equazione adimensionale che correla il numero di Nusselt con il numero di Reynolds rotazionale. L’equazione è supportata da una tabella di coefficienti che permettono il calcolo dell’HTC per tutte le superfici nell’end space region e per diverse lunghezze delle alette. Tale nuova correlazione necessita ancora di una convalida sperimentale ma sarebbe già applicabile in software commerciali che implementino una rete termica a parametri concentrati (LPTN), quale Motor-CAD.

Abstract [sv]

Då elektriska maskiner designas är termisk analys av yttersta vikt då en rätt avpassad kylning bade påverkar elektromagnetisk prestanda samt maskinens livslängd. En viktig aspekt vid termisk analys av elmaskiner är kylning av maskinens ändlindningar i vilka ofta den högsta temperaturen uppkommer.Termisk analys av ändregionen på en elmaskin är huvudsakligen länkad till karakteriseringen av den konvektiva värmetransporten mellan ändlindningens och omkringliggande luft. Detta resulterar i en komplex analys, huvudsakligen på grund av turbulensen som genereras i ändregionen av rotorn, rotorns axel samt eventuella kylflänsar. Ett antal yttryck för värmeöverföringskoefficienten för denna värmetransport har föreslagits i litteraturen. Dessa yttryck är dock beroende av empiriska korrektionsfaktorer vars värden baseras på erfarenhet.Målet med detta arbete är att undersöka hur konvektionen i ändregionen påverkas av ändringar i geometrin samt, från de numeriska studier som genomförts, ta fram förbättrade uttryck för värmeöverföringskoefficienten.Studien som presenteras i arbetet utförs med hjälp av den CFD-baserade mjukvaran Ansys Fluent CFD. Elmaskinen i elbilen Nissan Leaf har modellerats och luftvolymen i ändregionen har simulerats i ett antal fall. Dessa fall inkluderar en studie av det radiella luftflödet vid statortänderna, variation av kulflänsarnas dimensioner, samt det axiella avståndet till ändskölden.Som huvudresultat har ett parametriserat, dimensionslöst uttryck som relaterar Nusselt och Reynoldstalen i ändregionen tagits fram. Parametrarna i uttrycket beror på kylflänsarnas axiella längd samt ändregionens yttyp. Det framtagna uttrycket, som måste valideras experimentellt i vidare studier, kan nyttjas i mjukvara som använder termiska nätverk av lumped-parameter-typ för termisk analys av elmaskiner (t.ex. Motor-CAD).

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , p. 146
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2017:019
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-202966OAI: oai:DiVA.org:kth-202966DiVA, id: diva2:1079866
External cooperation
Motor Design Ltd
Educational program
Master of Science in Engineering - Electrical Engineering
Available from: 2017-03-09 Created: 2017-03-09 Last updated: 2017-03-09Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(5555 kB)361 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5555 kBChecksum SHA-512
c05be4b4f9d2aee36d3016028553e191c8abd48406a557837f5f80410c2dc26a323b2e9c03101b94a57c03ef29af38e55054f13685520763ba52f5c86d1bc1f3
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Electric Power and Energy Systems
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 361 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 271 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf