Design of a lattice-based cooling jacket for electric in-wheel motors manufactured by laser powder bed fusion

This thesis work studies the application of strut-based lattice structures to enhance the thermo-hydraulic performances of a cooling jacket for electric in-wheel motors previously designed by Politecnico di Milano Dynamis team. A cooling jacket is a component of the cooling system dedicated to dissipate the thermal power produced by the motor. The main design areas of the component are the internal channel that guides a liquid coolant directly in touch with the motor and the external fin arrangement that dissipates heat to the environment. Different types, arrangements and dimensions of lattice structures have been embedded to the starting cooling jacket to increase its performances. The evaluated structures have been spherical dimples and tetrahedral cells for the internal channel and tetrahedral, octet and diamond cells for the external fin geometry. The different proposed configurations have been evaluated and compared through Computational Fluid Dynamic (CFD) analyses. Final results have been compared to those of Dynamis team. Mayor advantages have been found on the external fin arrangement. By applying lattice structure and a diverting wing it is possible to convey the air flow on the rear part of the component, enhancing heat exchange effectiveness and strongly reduce total weight. The component is designed following manufacturability constraints given by Laser Powder Bed Fusion process. Samples regarding the diamond lattice structure external geometry have been modelled to understand the component processability.

Questo lavoro di tesi studia l'applicazione di strutture reticolari ad una camicia di raffreddamento per motori elettrici in-wheel, precedentemente progettata dal team Dynamis del Politecnico di Milano, per migliorarne le prestazioni termo-idrauliche. Una camicia di raffreddamento è un componente del sistema di raffreddamento dedicato a dissipare la potenza termica prodotta dal motore. Le principali aree di progettazione del componente sono il canale interno che guida un liquido refrigerante direttamente a contatto con il motore e l'alettatura esterna che dissipa il calore all'ambiente. Diversi tipi, disposizioni e dimensioni di strutture reticolari sono state incorporate alla camicia di raffreddamento di partenza per aumentarne le prestazioni. Le strutture valutate sono state: dimples sferici e celle tetraedriche per il canale interno e celle tetraedriche, octet e diamond per la geometria dell'alettatura esterna. Le diverse configurazioni proposte sono state valutate e confrontate attraverso analisi CFD (Computational Fluid Dynamic). I risultati finali sono stati confrontati con quelli del team Dynamis. I vantaggi maggiori sono stati riscontrati nella alettatura esterna. Applicando la struttura reticolare e un'ala deviatrice è possibile convogliare il flusso d'aria nella parte posteriore del componente, migliorando l'efficacia dello scambio termico e riducendone il peso totale. Il componente è progettato seguendo i vincoli di fabbricazione imposti dal processo di Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Campioni riguardanti la geometria esterna con struttura diamond sono stati modellati per capire la fattibilità del componente.