Development and application of a CFD framework for the simulation of fully coupled electromagnetic and heat transfer process inside electric motors

This thesis delves into the complex domain of thermal management of electric motors for automotive applications. As the demand for efficient and high-performing electric motors increases, effective thermal management becomes mandatory to ensure optimal motor performance, efficiency, durability, and safety. Neglecting proper heat management can result in various issues including: demagnetization of magnets, degradation of insulation materials, decreased efficiency, shortened lifespan, and even motor failure. For the propulsion of electric vehicles, permanent magnet synchronous motors (PMSMs) stand out as excellent options. Since permanent magnets are realized with rare-earth materials, which are susceptible to irreversible demagnetization under excessive heat, the temperature management system is particularly crucial in this technology. The aim of this work is to improve the comprehension of heat generation phenomena in electric motors and to model the cooling system in order to optimize it, through the integration of CFD. To this scope, a novel OpenFOAM solver is introduced, capable of computing electromagnetic quantities and losses, consequently assessing heat generation across various motor components. This combined thermodynamic and electromagnetic analysis of the electric machine allows coupling operational conditions with temperature distributions, facilitating the testing and refinement of cooling systems to enhance the longevity and performance of electric machines. To showcase the capabilities of the new solver, a series of simulations of a simplified PMSM model are proposed. Exploring temperature distributions, electromagnetic phenomena, and their interplay, with the ultimate goal of enhancing the understanding of electric motor heat production and guiding the development of efficient cooling mechanisms.

Questa tesi si sviluppa nel complesso ambito della gestione termica dei motori elettrici per applicazioni automotive. Con l’aumentare della domanda di motori elettrici effici- enti e ad alte prestazioni, un’efficace gestione termica diventa indispensabile per garantire prestazioni ottimali del motore, efficienza, durata e sicurezza. Trascurare una corretta gestione del calore può portare a varie problematiche, tra cui la demagnetizzazione dei magneti, il degrado dei materiali isolanti, la ridotta efficienza, la riduzione della durata e persino la rottura del motore. Per la propulsione dei veicoli elettrici, i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) si distinguono come eccellenti opzioni. Poiché i motori PMSM con magneti relizzati con terre rare, sono suscettibili a una demagnetizzazione irreversibile in caso di calore eccessivo, il sistema di gestione della temperatura riveste un’importanza particolare in questa tecnologia. L’obiettivo di questo lavoro è migliorare la comprensione dei fenomeni di generazione del calore nei motori elettrici e modellare i sistemi di refferddamento al fine di ottimizzarli con l’ausilio della fludiodinamica com- putazionale (CFD). A questo scopo, viene proposto un nuovo solver per OpenFOAM, in grado di calcolare quantità e perdite elettromagnetiche, valutando di conseguenza la gen- erazione di calore all’interno delle diverse componenti del motore. Questa combinazione di analisi termodinamica ed elettromagnetica della macchina consente di collegare le con- dizioni operative con le distribuzioni di temperatura, agevolando la prova e il perfezion- amento dei sistemi di raffreddamento per migliorare la longevità e le prestazioni delle macchine elettriche. Per dimostrare le capacità del nuovo solver, vengono proposte una serie di simulazioni di un modello semplificato di PMSM. Esse esplorano distribuzioni di temperatura, fenomeni elettromagnetici e la loro interazione, con l’obiettivo finale di migliorare la comprensione della produzione di calore del motore elettrico e guidare lo sviluppo di meccanismi di raffreddamento efficienti.