Thermal design of water-cooled electric machines using CFD
Nikkinen, Juho (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260630106922
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260630106922
Tiivistelmä
This thesis covers the methods used in water-jacket cooled electrical machine design. The electromagnetic- and thermal design aspects, as well as the use of simulation softwares Altair Flux and Ansys Fluent are covered.
A case study is done for a prototype machine, which is intended to be used as a shaft-generator in naval vessels, which decreases the emissions of the ship. Additionally, the machine can be used for propulsion, if necessary. The designed machine is theoretically more efficient and cheaper to manufacture than previous air-cooled designs, and it is also physically smaller. The reduced size of the machine allows the system to be implemented in more vessels, which then means emissions can be reduced for more ships.
For the prototype, the thermal performance is studied using a combination of electromagnetic finite element method (FEM) simulations and computational fluid dynamics (CFD). The simulated results are compared against the thermal limits of the materials used in the machines. This study covers multiple different machine sizes, and whether they operate in the given temperature range.
The main takeaways from the study are that fractional slot-windings and non-magnetic slot wedges should be used, and with this design, all machines operate within the allowed temperature window.
The design methods described in this study can be used as a framework for similar studies of other machines. Tämä työ käsittelee vesivaippajäähdytteisten sähkökoneiden suunnittelumetodeja. Työssä käydään läpi tarvittavat sähkömagneettiset- ja lämpösuunnittelu aiheet, jonka lisäksi kuvataan miten simulointiohjelmistoja Altair Flux ja Ansys Fluent voidaan hyödyntää suunnittelussa.
Työssä tutkitaan prototyyppikonetta, jonka käyttötarkoitus on toimia laivan akseligeneraattorina. Akseligeneraattoria voidaan hyödyntää vähentämään laivan päästöjä, sekä sitä voidaan käyttää propulsiokoneena, mikäli se on tarpeellista. Työssä esitelty kone on teoriassa energiatehokkaampi kuin vastaava ilmajäähdytteinen kone ja se on kooltaan merkittävästi pienempi. Pienempi kone on mahdollista asentaa useampaan laivaan, joihin isommat koneet eivät mahtuisi, mikä mahdollistaa päästöjen vähentämisen useammalla aluksella.
Prototyyppikoneen toimintaa tutkittiin hyödyntäen sähkömagneettista FEM-laskentaa (Finite Element Method) ja CFD-simulaatioita (Computational Fluid Dynamics). Simulaatioiden tuloksia verrattiin koneessa käytettyjen materiaalien lämpörajoihin, jotka määrittävät lämpötilan ylärajan eri komponenteille. Tässä työssä tutkittiin useampaa konekokoa, ja sitä toimivatko ne sallitulla lämpötila-alueella.
Työn tärkeimmät tulokset ovat napakäämien valinta käämintätavaksi ja ei-magneettisten urakiilojen käyttö koneessa. Näiden avulla kaikki tutkitut koneet toimivat sallitulla lämpötila-alueella.
Työssä kuvattuja toimintatapoja voidaan hyödyntää samanlaisten koneiden suunnittelussa tulevaisuudessa.
A case study is done for a prototype machine, which is intended to be used as a shaft-generator in naval vessels, which decreases the emissions of the ship. Additionally, the machine can be used for propulsion, if necessary. The designed machine is theoretically more efficient and cheaper to manufacture than previous air-cooled designs, and it is also physically smaller. The reduced size of the machine allows the system to be implemented in more vessels, which then means emissions can be reduced for more ships.
For the prototype, the thermal performance is studied using a combination of electromagnetic finite element method (FEM) simulations and computational fluid dynamics (CFD). The simulated results are compared against the thermal limits of the materials used in the machines. This study covers multiple different machine sizes, and whether they operate in the given temperature range.
The main takeaways from the study are that fractional slot-windings and non-magnetic slot wedges should be used, and with this design, all machines operate within the allowed temperature window.
The design methods described in this study can be used as a framework for similar studies of other machines.
Työssä tutkitaan prototyyppikonetta, jonka käyttötarkoitus on toimia laivan akseligeneraattorina. Akseligeneraattoria voidaan hyödyntää vähentämään laivan päästöjä, sekä sitä voidaan käyttää propulsiokoneena, mikäli se on tarpeellista. Työssä esitelty kone on teoriassa energiatehokkaampi kuin vastaava ilmajäähdytteinen kone ja se on kooltaan merkittävästi pienempi. Pienempi kone on mahdollista asentaa useampaan laivaan, joihin isommat koneet eivät mahtuisi, mikä mahdollistaa päästöjen vähentämisen useammalla aluksella.
Prototyyppikoneen toimintaa tutkittiin hyödyntäen sähkömagneettista FEM-laskentaa (Finite Element Method) ja CFD-simulaatioita (Computational Fluid Dynamics). Simulaatioiden tuloksia verrattiin koneessa käytettyjen materiaalien lämpörajoihin, jotka määrittävät lämpötilan ylärajan eri komponenteille. Tässä työssä tutkittiin useampaa konekokoa, ja sitä toimivatko ne sallitulla lämpötila-alueella.
Työn tärkeimmät tulokset ovat napakäämien valinta käämintätavaksi ja ei-magneettisten urakiilojen käyttö koneessa. Näiden avulla kaikki tutkitut koneet toimivat sallitulla lämpötila-alueella.
Työssä kuvattuja toimintatapoja voidaan hyödyntää samanlaisten koneiden suunnittelussa tulevaisuudessa.