Analysis, design optimization and experimental verification of high dynamic performance electric motors via computational fluid dynamics and conjugated heat transfer simulations

This thesis summarizes the work carried out during the internship in the R&D MOMG IEC LV Motors of ABB S.p.A, located in Vittuone (MI). Thermal design of the high dynamic performance (HDP) motors plays a crucial role in their dimension, durability, and efficiency. Consequently for most manufacturers, designing new cooling channels and optimizing them are coming into interest. The actual R&D Project is about the redesign of actual HDP Motors by improving also their thermal performances and add new frame sizes to the range. The goals of this thesis are: to assess numerically and experimentally the cooling performance of the new HDP motors, both air-cooled and water-cooled system; investigate the possible improvement of the designs; find out reliable computational fluid dynamic (CFD) and conjugated heat transfer (CHT) models calibrated via laboratory tests of HDP 132 frame size for which prototypes will be assembled; ultimately, use the so calibrated models to optimize the thermal designs. Also, the so calibrated models of frame Size 132 can be used, in future works, to investigate performances of the other HDP frame sizes without the need of making prototypes, by scaling the thermal properties. In this context, the first step was to perform the grid sensitivity analysis to find out the mesh with the best compromise between accuracy and computational cost. Then, the selected mesh was utilized to perform the CFD simulation for all the cooling configurations (Air and water-cooled) to estimate the fluid flow's characteristics, such as the volumetric flow rate of the cooling fluid and pressure drop of the motor. Once the CFD simulations were validated, the so calculated volumetric flow rate was used as input in the next CHT simulations. The first CHT simulations were performed with thermal losses resulting from Electro-magnetic simulation made with an internal software of ABB (ADEPT). After prototypes were done, real thermal losses were measured and used to update CHT simulations. The following step consists of the validation and calibration of the CHT simulations with the test results. The CHT results of all the motor configurations were then collected and used to check the margin in terms of winding temperatures with respect to the insulation class of the motors. The final step was to use the calibrated CHT models to optimize the thermal design of some components of the motor and CFD models to evaluate margins of improvement in terms of fluid dynamics. The main outcomes of this work are reliable and accurate CFD and CHT models of HDP 132 motors, which are validated through laboratory tests. Moreover, fan cover, windings, and profile of cooling channels are optimized in terms of fluid dynamics and heat transfer.

Questa tesi riporta il lavoro svolto presso l’unita di R&D MOMG IEC LV Motors presso ABB S.p.A, in Vittuone (MI). Il design termico dei motori High Dynamic Performance (HDP) gioca un ruolo cruciale nell’efficienza, durata e ingombri dimensionali degli stessi. Di conseguenza per molti costruttori, la progettazione di sistemi di raffreddamento e ottimizzazione degli stessi è divenuta di grande interesse. Il progetto R&D attuale riguarda il re-design dell’attuale gamma di motori HDP migliorandone le performance termiche oltre che ad introdurre nuove altezze d’asse alla gamma. Gli scopi della presente tesi sono: analizzare numericamente e sperimentalmente le performance di raffreddamento dei nuovi motori HDP, raffreddati sia ad acqua che ad aria; investigare varie possibilità di ottimizzare il design termico dei motori; Realizzare modelli Fluidodinamici (CFD) e di scambio termico coniugato (CHT) calibrati e validati sperimentalmente per il motore HDP 132 per il quale Prototipi da laboratorio sono stati realizzati; in fine uso dei modelli validati per ottimizzare il design termico dei motori. Inoltre, i modelli validati del motore HDP132, opportunamente scalati, possono essere usati in futuro per analizzare le performance termiche di altri motori HDP con diversa altezza d’asse senza dover costruire ulteriori prototipi. Lo scopo della tesi è di analizzare numericamente e sperimentalmente le performance di raffreddamento dei nuovi motori HDP, sia raffreddati ad aria che ad acqua, investigando possibilità di ottimizzazione ed in fine realizzare modelli fluidodinamici (CFD) e di scambio termico coniugato (CHT) calibrati su base di test di laboratorio effettuati sul motore HDP di altezza d’asse 132, per il quale verranno assemblati prototipi. I modelli calibrati potranno poi essere utilizzati in futuro per analizzare le performance termiche di altre altezze d’asse senza la necessità di dover costruire prototipi. Il primo step riguarda lo studio della sensitività della griglia computazionale per determinare la “mesh” con il miglior compromesso tra accuratezza della soluzione e tempo computazionale. Successivamente mediante tale mesh sono condotte le simulazioni CFD per tutte le configurazioni di raffreddamento (aria ed acqua) calcolandone le caratteristiche quali portata volumetrica del fluido e caduta di pressione del motore. Una volta terminate e validate le simulazioni CFD su base sperimentale, le portate volumetriche così determinate sono utilizzate come input nella seconda fase di simulazioni CHT. Le prime simulazioni CHT sono condotte utilizzando le perdite termiche del motore da simulazioni elettromagnetiche condotte tramite il Software interno di ABB “ADEPT”. Una volta completati i prototipi dei motori, le perdite termiche vengono misurate mediante test a carico in laboratorio ed utilizzate per aggiornare le perdite simulate nei modelli CHT; successivamente tali modelli CHT verranno calibrati e validati dai test di laboratorio condotti. I risultati delle simulazioni CHT vengono quindi analizzate al fine di verificare i margini sulla temperatura massima d’esercizio (definita dalla classe d’isolamento) degli avvolgimenti di statore. Come passo finale i modelli CHT validati sono utilizzati per l’ottimizzazione del design termico dei motori mentre i modelli CFD sono utilizzati per valutare margini di miglioramento fluidodinamici di alcuni componenti. Il principale risultato del presente lavoro sono modelli accurati CFD e CHT del motore HDP 132, validati sperimentalmente. Inoltre, componenti quali carter copri ventola, avvolgimenti e profilo dei canali di raffreddamento di statore/carcassa sono ottimizzati in termini fluidodinamici e di scambio termico.