Riassunto analitico
Questa tesi di laurea magistrale è incentrata sulla modellazione e analisi termiche di un generatore sincrono a campo avvolto ad alta velocità progettato per soddisfare le esigenze di potenza a bordo di aerei caratterizzati da powertrains ibridi o elettrici. Il lavoro nasce dall’esigenza di valutare in dettaglio la distribuzione delle temperature operative in un generatore sincrono, la cui progettazione elettromagnetica è stata affrontata in un precedente lavoro di laurea magistrale svolto in collaborazione con la Università di Pisa, Pisa, Italia e la Università di Nottingham Ningbo, Ningbo, Cina. Questo lavoro è stato invece sviluppato presso l’azienda Electrical Cooling Solutions Ltd, Nottingham, UK, nel contesto di un tirocinio di formazione e della collaborazione con le istituzioni accademiche succitate. In primo luogo c'è un'introduzione all'ambiente termico e lo stato dell'arte riguardante l'analisi termica delle macchine elettriche. Successivamente viene fornita una descrizione dettagliata della modellazione termica utilizzata. L'analisi termica è stata eseguita utilizzando reti a parametri concentrati, analisi agli elementi finiti 2D utilizzando due software differenti, e 3D. Un modello 3D di fluidodinamica computazionale è stato impiegato per la determinazione dei coefficienti di scambio termico di tipo convettivo, i quali sono stati conseguentemente utilizzati per definire al meglio le condizioni al contorno dei modelli termici a parametri concentrati e agli elementi finiti. È stata condotta un'analisi di sensibilità per quantificare l'influenza del valore dei coefficienti di scambio termico di tipo convettivo sulle temperature degli avvolgimenti. Infine, vengono suggeriti delle possibili soluzioni di sistemi di raffreddamento della struttura rotante (rotore), che rappresenta una parte critica da raffreddare nelle macchine elettriche.
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Abstract
This MSc thesis is focused on the thermal modelling and analysis of a high-speed wound-field synchronous generator aimed at satisfying the power demands on board of aircraft equipped with hybrid or electric powertrains.
This work emerges from the need of evaluating in detail the temperature distribution within a synchronous generator, whose design was carried out in the framework of a previous MSc thesis project developed in collaboration with the University of Pisa, Pisa, Italy, and the University of Nottingham Ningbo, Ningbo, China. This MSc thesis work has been developed at the company Electrical Cooling Solutions Ltd, Nottingham, UK, in the context of a secondment placement and of the above mentioned collaboration.
First, an introduction to the thermal environment is provided and the state-of-the-art regarding the thermal analysis of electrical machines is described. Then, a detailed description of the thermal modelling approach is discussed. The thermal analysis is performed by using lumped parameters thermal networks, 2D finite element analysis using two different software, and 3D finite element analysis. A 3D computational fluid dynamics model is used to determine the heat transfer coefficients, which are then used for a suitable definition of the boundary conditions for the lumped parameters and finite element thermal models. A sensitivity analysis is also carried out to quantify the influence of the values of the heat transfer coefficients on the winding temperatures. Finally, possible design improvements are proposed for the cooling of the rotating structures, which represents a critical part to cool down in electrical machines.
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