Riassunto analitico
The achievement of a completely sustainable mobility getting close to reality due to the increasing spread of electric motors and their zero-emission nature. Aiming to become mainstream within the automotive industry, loads of resources are invested into the research and development of all the components of the electric powertrain system. Pursuing this dream Formula E regulations rewards efficiency by limiting the input power to the motor and the amount of energy to be used during races. As a consequence, considering that thermal management is the main performance limiter, a detailed analysis of the heat transfer within the motor is of utmost interest.
The purpose of this thesis is to study and model the impregnated stator slot from a thermal perspective. It is well known that wires inside the stator tend to have a random distribution as they are manually manufactured. As a consequence, this presents the opportunity to analyze the impact of the wire randomness on the global heat transfer of the motor. Furthermore, the influence of the conductor insulation is also considered. The temperature field and heat fluxes are computed via numerical simulation considering the actual operating conditions of the motor.
Two-dimensional steady state simulations solve the Fourier equation along the domain. Two random winding distributions coming from an actual motor are compared to two regular distributions. Samples of these distributions are obtained in order to compute the influence in wire positioning of the effective thermal conductivity. Full slot simulations are run in order to check de validity of the initial hypotheses and serve as reference values for the substitution of the slot with a single material having the previously computed effective thermal conductivity.
Temperature field and heat generation are analyzed in order to discuss the influence of wire distribution in the global heat transfer and the addition of the conductor insulation as a parameter gives a wider point of view. The use of the effective thermal conductivity is utterly discussed and compared to analytical solutions.
|
Abstract
Il raggiungimento di una mobilità completamente sostenibile è sempre più vicino grazie alla crescente diffusione dei motori elettrici e la loro natura a emissioni zero. Con l’obiettivo di diventare competitivi nel settore dell’autoveicolo, una gran quantità di risorse viene investita nella ricerca e lo sviluppo dei componenti dei motoporpulsori elettrici. Inseguendo questa idea la Formula E cerca di premiare l’efficienza imponendo da regolamento un limite di potenza in ingresso al motore e limitando l’energia a disposizione del pilota durante le gare. Di conseguenza, un’analisi dettagliata del trasferimento del calore all’interno del motore è di estremo interesse in quanto la gestione termica è la principale limitazione delle prestazione di esso.
Lo scopo di questa tesi è di studiare e modellare gli avvolgimenti nelle cave dello statore da un punto di vista termico. È noto che i fili all’interno dello statore tendono ad avere una distribuzione casuale in quanto vengono assemblati manualmente. Questo fatto presenta l’opportunità di analizzare l’impatto della disposizione dei fili nella generazione globale di calore all’interno del motore. Inoltre, l’influenza dell’isolamento dei fili viene considerata come parametro in modo da approfondire lo studio. Il campo do temperatura e i flussi di calore sono calcolati tramite simulazioni numeriche considerando le condizioni operative a cui viene sottoposto il motore.
Le simulazioni risolvono principalmente l’equazione di Fourier lungo un dominio bidimensionale in un caso stazionario. I domini simulati consistono in due configurazioni di fili disordinate ricavate dal motore e due configurazioni regolari. A seguire si prendono campioni di questi avvolgimenti in modo da poter calcolarne la loro conducibilità termica effettiva e vedere come questa viene influita dalla disposizione dei fili. In più, per verificare la validità dell’analisi precedente si eseguono delle simulazioni di cava completa che permettono anche di avere un valore di riferimento per futuri sviluppi.
Infine, il campo di temperatura e la generazione di calore all’interno del motore vengono analizzati in modo da potere trarre delle conclusioni su l’influenza della posizione dei fili nella gestione termica globale del motore. Allo stesso tempo, per avere un’analisi più dettagliata, si studia anche l’effetto dello spessore della smaltatura dei fili. Per concludere, viene indagata la possibilità di sostituire i materiali della cava per un solo materiale avente la conducibilità termica effettiva calcolata in precedenza.
|