Design of an electric motor for racing cars competitions. Cooling system CFD analysis

This thesis work deals with a forced convection air-cooling system designed to cool down the rotor of a Permanent-Magnets Synchronous Motor for racing applications. The proposed solution is based on an axial fan rigidly connected to the rotor, promoting air suction while rotating. The motor is already equipped with a water-cooling jacket for the stator, which has no effect on the inner rotor; in this condition, the magnets embedded in the rotor experience overheating: an excessive working temperature of the magnets negatively influences the magnetic flux density, to which power and torque production rely on. The newly designed cooling system is proposed in two configurations, named Open Loop and Closed Loop. In the Open Loop solution, air is sucked from the environment, passes through the fan, in which exchanges heat, and it is discharged again to the environment. The Closed Loop, instead, is characterized by recirculation of the same volume of air inside the ducting system. A radiator is mounted to recover the temperature of the air flow after heat transfer. Open Loop and Closed Loop arrangements are evaluated and tested through CFD simulations to find the configuration that maximise the volume flow rate at the inlet of the fan and, consequently, the cooling of the rotor. All CFD simulations are performed on ANSYS® CFX. In particular, for the Open Loop several profiles of nozzle and diffusers, taken from state-of-the-art solutions, are combined. The nozzle and the diffuser represent the internal surface of the motor flanges, adapted to the new configuration in order to allow the passage of the air flow. The best nozzle-diffuser combination is further optimised and adopted as basis for the Closed Loop system. The Closed Loop ducting system undergoes CFD analysis to evaluate the effectiveness of the proposed design. The definitive versions of the Open Loop and Closed Loop are compared through a thermal analysis, which is merely a CFD simulations with the inclusion of heat sources from the rotor domains, i.e. the rotor stack and the magnets, and the fan to simulate the convective heat transfer. In the end, the Open Loop is indicated as the best configuration since it effectively succeeds in reducing the temperature of the rotor and the magnets. The results of thermal analysis show the primary importance of a lower air flow temperature, necessary to exploit the advantages of a cooling system on the rotor.

Il seguente lavoro di tesi si occupa di un sistema di raffreddamento ad aria progettato per raffreddare il rotore di un motore elettrico sincrono a magneti permanenti per competizioni automobilistiche. La soluzione proposta si basa su una ventola assiale, collegata rigidamente al rotore, da cui l’aria viene aspirata durante la rotazione. Il motore è già equipaggiato con una camicia di raffreddamento ad acqua per lo statore, che tuttavia non produce alcuna dissipazione sul rotore situato all’interno. In queste condizioni, i magneti inseriti nel rotore si surriscaldano: una temperatura di funzionamento eccessiva per i magneti danneggia la densità di flusso magnetico, da cui dipendono la potenza e la coppia generate dal motore. Il nuovo sistema di raffreddamento ad aria è proposto in due configurazioni, una a circuito aperto e una a circuito chiuso. Nella prima, l’aria viene aspirata dall’ambiente, attraversa la ventola, sulle cui superfici interne avviene lo scambio di calore, e viene nuovamente scaricata nell’ambiente esterno. Il circuito chiuso, invece, è caratterizzato dal ricircolo continuo dello stesso volume d’aria all’interno dei condotti progettati. Un radiatore è stato dimensionato appositamente e installato nel sistema a circuito chiuso per ridurre la temperatura dell’aria in uscita dalla sezione di scambio termico. I sistemi a circuito aperto e a circuito chiuso sono stati testati attraverso simulazioni CFD per individuare la configurazione che garantisce la massima portata volumetrica in ingresso alla ventola e, di conseguenza, ottimizza il raffreddamento dell’intero rotore. Tutte le simulazioni sono state effettuate sul software commerciale ANSYS® CFX. Nel dettaglio, per il sistema a circuito aperto sono state valutate diverse combinazioni di profili, disponibili nello stato dell’arte, per il convergente e il divergente nelle flange. Il convergente e il divergente costituiscono le superfici interne delle flange del motore, adattate al nuovo sistema ad aria per consentire il passaggio del flusso. Una volta ottenuto il riscontro sulla migliore coppia convergente-divergente, le componenti del sistema aperto sono state ottimizzate; sulla base di queste informazioni, per il sistema a circuito chiuso sono state adottate le stesse componenti di quello aperto, con l’aggiunta dei condotti, a loro volta sottoposti ad analisi CFD per valutarne l’efficienza. Le configurazioni finali di entrambe le versioni sono state confrontate a seguito dell’analisi termica: si tratta di una simulazione CFD a cui sono stati aggiunti i domini solidi del sistema, in particolare il nucleo del rotore e i magneti, da cui sono introdotte le potenze termiche, e la ventola, per simulare lo scambio convettivo con l’aria. In conclusione, il sistema di raffreddamento a circuito aperto è stato indicato come la migliore soluzione poiché raffredda in maniera efficace il nucleo del rotore e i magneti. I risultati delle simulazioni termiche dimostrano l’importanza fondamentale di una bassa temperatura dell’aria in ingresso, condizione necessaria per sfruttare i vantaggi di questo tipo di raffreddamento sul rotore.