Tese de Doutorado

Para atingir alta densidade de potência em motores elétricos, é essencial um sistema de troca de calor eficiente para remover o calor gerado pelas perdas intrínsecas do motor, limitando assim o aumento de temperatura durante a operação do motor. Este trabalho se concentra na melhoria do sistema de resfriamento por meio da otimização do projeto fluido- térmico de um motor elétrico de alta densidade de potência, utilizando análises de CFD (Computational Fluid Dynamics) e eletromagnética por FEA (Finite Element Analysis), juntamente com aplicação de métodos avançados de resfriamento e análise experimental em protótipos. O motor de referência para a otimização do projeto fluido-térmico é um motor de indução de 25 kW, 4 polos, 60 Hz, 165 V, com sistema de resfriamento por camisa de água (WJ) na carcaça. No novo sistema de resfriamento implementado neste projeto de motor, o sistema de resfriamento por camisa de água foi substituído por um trocador de calor direto na bobina, com placas frias (CP) integradas ao estator. As placas frias são resfriadas pela circulação de água através de seus canais internos. A análise CFD utilizou software comercial baseado no Método dos Volumes Finitos, para resolver as equações governantes de escoamento de fluido e transferência de calor em um modelo 3D do motor com o modelo de turbulência k- SST. As perdas eletromagnéticas foram determinadas via FEA, resolvendo as equações de Maxwell. A otimização, com o algoritmo NSGA-II, aprimorou o desempenho térmico, considerando as geometrias e propriedades dos materiais dos componentes do motor. O método de análise combinou otimização, simulações e testes experimentais, iniciando com a validação CFD de um motor existente. Um modelo simplificado com apenas uma fatia do motor foi usado para otimização fluido-térmica e eletromagnética, identificando os melhores pontos de projeto. Em seguida, um modelo completo do motor foi simulado para confirmar as melhorias, e posteriormente foi realizada a fabricação e os testes de um protótipo físico para validação. O novo motor, resfriado por placas frias, obteve um aumento de 42% na densidade de potência, mantendo os mesmos níveis de temperatura do sistema de resfriamento original com camisa de água.

To achieve high power density in electric motors, an efficient heat exchange system is imperative to manage the heat generated by intrinsic motor losses, thereby limiting temperature rise during operation. This research focuses on improving the cooling system through fluid-thermal design optimization of a high-power-density electric motor, using CFD (Computational Fluid Dynamics) and electromagnetic FEA (Finite Element Analysis) analysis, alongside advanced cooling techniques and prototype testing. The reference motor for the fluid-thermal design optimization is a 25 kW, 4 pole, 60 Hz, 165 V induction motor, with a water-jacket (WJ) cooling system in the frame. A new cooling system was implemented in this motor design, replacing the water-jacket cooling system with a direct winding heat exchanger featuring cold plates (CP) integrated into the stator. Water circulates through internal channels to cool the cold plates effectively. CFD analysis, using commercial software based on the Finite Volume Method, solved the flow and heat transfer governing equations in a 3D motor model with the k- SST turbulence model. Electromagnetic losses were determined through FEA software solving Maxwells equations. The optimization process employed the NSGA-II algorithm to enhance motor cooling performance by considering key input parameters such as geometric dimensions and material properties of cooling components. The methodology, which combined optimization, simulations, and experimental testing, began with CFD validation of an existing motor. A simplified motor slice model was used for fluid-thermal and electromagnetic optimization to identify the optimal design points. A more comprehensive motor model was then simulated to confirm the improvements, followed by the manufacturing and testing of a physical prototype to validate the approach. The newly proposed motor, cooled by cold plates, achieved a 42% increase in power density while maintaining the same temperature levels as the original water-jacket cooling system.