Numerical analysis of hollow conductor cooling in high-speed electric machines

Abstract

This thesis investigates the electromagnetic and thermal performance of directly cooled hollow conductors in a high-speed permanent magnet synchronous machine for traction applications. The continuous power capability of electric machines is limited by the maximum allowable temperature of the winding insulation. Conventional indirect cooling methods rely on relatively long thermal conduction paths, resulting in reduced cooling effectiveness and elevated winding temperatures. This thesis evaluates an alternative cooling topology in which dielectric oil is circulated axially through hollow conductors.

The numerical methodology utilises a one-way coupled approach between two-dimensional electromagnetic finite element analysis (FEA) and three-dimensional computational fluid dynamics (CFD). The non-uniform electromagnetic loss density is mapped as volumetric heat sources into the CFD model, where conjugate heat transfer (CHT) method is used to analyse the convective performance and internal fluid characteristics of the dielectric oil. A parametric study is conducted to evaluate the conductor wall thickness (0.5-0.9 mm) and coolant flow velocity (0.25-1 m/s) on the multi-physics trade-off between electromagnetics, thermal and hydraulic performance.

The results demonstrate the improved thermal performance of direct cooling. Under the peak loading condition, the hollow conductors achieve a temperature reduction of 77.15 °C compared to a solid conductor configuration with conventional water jacket cooling. The parametric analysis reveals a higher loss density for thinner wall thickness configurations due to the reduced copper cross-sectional area, however, these differences are mitigated by increased flow velocities. The findings conclude that hollow conductor cooling is a highly effective solution for high performance electric machines, enabling higher current densities, provided that the associated manufacturing complexities are adequately addressed.

Tässä työssä tutkitaan suorajäähdytteisten onttojen johtimien sähkömagneettista ja lämpöteknistä suorituskykyä suurinopeuksisessa kestomagneettitahtikoneessa. Sähkökoneiden jatkuva tehonkesto on rajoitettu käämieristyksen suurimman sallitun lämpötilan perusteella. Perinteiset epäsuorat jäähdytysmenetelmät perustuvat pitkiin lämmönjohtumisreitteihin, mikä heikentää jäähdytyksen tehokkuutta ja johtaa korkeisiin käämilämpötiloihin.

Työssä tarkastellaan vaihtoehtoista jäähdytysratkaisua, jossa dielektrinen öljy virtaa aksiaalisesti onttojen johtimien läpi. Numeerinen menetelmä perustuu yksisuuntaisesti kytkettyyn analyysiin, jossa yhdistetään kaksiulotteinen sähkömagneettinen elementtimenetelmä (FEA) ja kolmiulotteinen laskennallinen virtausdynamiikka (CFD). Sähkömagneettisten häviöiden epätasainen jakauma siirretään tilavuuslämmönlähteinä CFD-malliin, jossa konvektiivisen lämmönsiirron tehokkuutta sekä dielektrisen öljyn ominaisuuksia analysoidaan. Parametritutkimuksessa tarkastellaan johtimen seinämän paksuuden (0.5–0.9 mm) ja jäähdytysnesteen virtausnopeuden (0.25–1 m/s) vaikutusta sähkömagneettisten, lämpöteknisten sekä hydraulisten ominaisuuksien välisiin riippuvuussuhteisiin.

Tulokset osoittavat suoran jäähdytyksen tehokkuuden. Huippukuormituksen alla ontot johtimet saavuttavat 77.15 °C alhaisemman lämpötilan verrattuna kiinteisiin johtimiin vesivaippajäähdytyksellä. Parametritarkastelu osoittaa, että ohuemmilla seinämän paksuuksilla häviötiheys kasvaa pienemmän kuparin poikkipinta-alan vuoksi, mutta tätä vaikutusta kompensoi suurempi massavirtaus ja tehokkaampi lämmönsiirto. Tulosten perusteella jäähdytys ontoilla johtimilla on tehokas ratkaisu suuritehoisiin sähkökoneisiin, mahdollistaen korkeamman sähkövirran tiheyden, edellyttäen että valmistukseen liittyvät haasteet huomioidaan suunnittelussa asianmukaisesti.