Progetto del sistema di raffreddamento per un motore sincrono a rotore avvolto

This thesis concerns the design of the cooling system for a wound-rotor synchronous motor, created by the University of Padova and intended for automotive traction applications. The project was carried out mainly in ANSYS Motor-CAD, which is a specific design software for electrical machines. In particular, after an initial introductory part about the fundamental characteristics of the synchronous machine, the thermal modelling of electrical machines and the description of the most commonly used techniques for cooling, three main methods are proposed: the water jacket, the hollow shaft rotor and the spray cooling of windings. These techniques will be analyzed both individually and in combination with each other, to establish which of them ensures the best result; different cooling liquids are also taken into consideration. Next, a simple control system for managing the cooling is developed in Simulink. After exporting the machine’s thermal network and creating the state-space model of the system, the relationship between the flow rate of the cooling fluid and the thermal resistances modelling the exchanges with it is studied. Finally, different current profiles are analyzed to simulate the behavior of the machine in the following operating scenarios: nominal, low load and overload. In the latter case, derating is used to avoid damaging the machine.

La presente tesi concerne il progetto del sistema di raffreddamento per un motore sincrono a rotore avvolto, ideato dall’Università degli Studi di Padova e destinato ad applicazioni di trazione in ambito automobilistico. Il lavoro è stato sviluppato con l’ausilio di ANSYS Motor-CAD, un software di progettazione specifico per le macchine elettriche. In particolare, dopo una prima parte introduttiva sulle caratteristiche fondamentali della macchina sincrona, sulla modellazione termica delle macchine elettriche e sulla descrizione delle tecnologie maggiormente impiegate al giorno d’oggi per il raffreddamento di queste ultime, vengono proposti tre principali metodi: la water jacket, il rotore ad albero cavo e il raffreddamento con liquido nebulizzato (spray) degli avvolgimenti. Tali tecniche sono state analizzate sia singolarmente che in combinazione tra loro, al fine di stabilire quale tra loro consenta di ottenere il risultato migliore; sono stati analizzati anche diversi liquidi di raffreddamento. Successivamente, viene sviluppato in Simulink un semplice sistema di controllo della portata del liquido per la gestione del raffreddamento. Dopo aver esportato la rete termica della macchina ed aver creato il modello del sistema nello spazio degli stati, viene studiata la relazione tra la portata del fluido refrigerante e le resistenze termiche che modellano gli scambi con quest’ultimo. Infine, vengono analizzati diversi profili di corrente per simulare il comportamento della macchina nei seguenti scenari di funzionamento: nominale, a basso carico e in sovraccarico. In quest’ultimo caso, si ricorre al derating per evitare il danneggiamento della macchina.