Cooling of high power density electric machines

Abstract

Luftfartsindustrien bidrar med omtrent 4-5% av total drivhusgassutslipp. En overgang til elektriske fremdriftsmetoder kan bidra til å redusere utslipp, men gir flere utfordringer rundt termisk adferd. I denne oppgaven ble det utført CFD simulasjon for å analysere luftstrømmen i luftgapet mellom rotor og stator ved varierende høyder, rotor hastighet og aksiell strømning. Tilstedeværelsen av Taylor-virvler viste seg å ha stor innvirkning på varmeoverføringsraten og ville gi mer kjøling enn strømning uten virvler. Økning i rotorhastigheten gir økt strømningshastighet i virvlene, som igjen gir mer varmeoverføring. En konsekvens av den kvadratiske formen til virvler mellom to overflater er at et mindre luftgap vil gi flere virvler, dette fører til høyere varmeoverføring for mindre luftgap over større gap. Tilførselen av en aksiell luftstrøm vil ødelegge Taylor-virvler som, avhengig av høyden pp luftgapet, kan redusere varmeoverføringsraten. Generelt vil en økt aksiell luftstrøm øke varmeoverføringsraten betydelig. En overflate-til-overflatestråling-simulering ble utført og viste at strålingsvarmeoverføring kan være opp til 22% av den totale varmeoverføringen. Strålingen er størst for små luftgap, med en sterkt synkende trend ved økning av luftgapshøyde.

The aviation industry accounts for about 4-5 % of the total global greenhouse gas emissions. A transition to electrical propulsion methods can greatly reduce emissions, however provides several challenges regarding thermal behaviour. In this thesis a CFD simulation was performed to analyse the air flow in the air gap with varying heights, rotor speeds and axial flow. The existence of Taylor vortices was found to impact the heat transfer rate significantly and provide better cooling than flow with no vortices. Increasing the rotor speed will increase the flow velocity of the Taylor vortices and lead to greater heat transfer. A consequence of the square nature of vortices between two surfaces is that small air gaps produce a higher number of vortices than larger gaps, this leads to an increased heat transfer rate for smaller air gaps over larger gaps. Adding an axial air flow leads to the destruction of Taylor vortices which, depending on the air gap height, can decrease the heat transfer rate. Generally though, an increase in axial velocity yields from a cold inlet will increase the heat transfer rate significantly. A surface to surface radiation simulation was also performed and the radiative heat transfer rate can consist of up to 22 % of the total heat transfer rate leaving the rotor and is largest for small air gaps, decreasing significantly with increasing gap height.