kth.sePublikationer KTH
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Numerical predictions of heat-transfer applied to electrical machines
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Teknisk mekanik.ORCID-id: 0000-0001-5143-2143
2022 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

In order to meet the need for increased electrification, and at the same time reduce the total demand for electric energy, behavior change and technological innovation is needed. Over the decades power density of electric motors have increased, leading to increased demands on the cooling system design and performance. The need for reduced energy demand, increased efficiency, and continued increase in performance require continuous development effort regarding cooling systems, understanding of temperature distributions and heat transfer, and thermal simulation tools applicable in the motor manufacturing industry.

    A study on how simulation assumptions affect the resolved temperature field in a traction motor prototype is presented. Here different assumptions regarding loss distributions and air flow distributions are considered. The study illustrates how different simulation assumptions affect the temperature field, and how the results compare to measurements.

    Application of numerical methods for resolving heat transfer, and how the heat transfer is linked to features in the fluid flow, is presented. An air jet impinging on a heated surface is investigated through the application of Large Eddy Simulations (LES) and obtained data processed using the Extended Proper Orthogonal Decomposition (EPOD) method. The study shows the link between structures in the flow and the associated structures in heat transfer. 

    Thermal analysis is an integral part of the motor design and dimensioning process. The method employed in theses studies is often the Lumped Parameter Thermal Network (LPTN). In this work a prototype method for automatic calibration of an LPTN, based on external temperature data, is presented. Application of Computational Fluid Dynamics (CFD) in computing input data needed for LTPNs is presented, where an extension to existing heat transfer correlations related to the end-winding of a form-wound machine is suggested.

    The studies are aiming at enabling advancing the prediction capability of heat transfer and temperature simulation methods applied in analysis of electrical machines.

Abstract [sv]

För att möta behovet av utökad elektrifiering, samtidigt som energibehovet behöver reduceras, krävs både beteendeförändringar och teknologisk innovation. Effekttätheten i roterande maskiner har ökat under decennierna, vilket leder till förhöjda krav på kylningsystemens utformande och prestanda. Kombinationen av behovet av minskning av energibehov, höjd verkningsgrad samt ökade prestandakrav, kräver kontinuerlig utveckling av kylsystem, förståelse av temperaturfördelning och värmeöverföring, samt simuleringsverktyg tillämpbara i motortillverkningsindustrin. 

    En studie av hur antaganden i definieringen av simuleringar påverkar den erhållna temperaturprofilen presenteras i denna avhandling. Studien utfördes med utgångspunkt från en traktionsmotorprototyp. Olika antaganden gällande förlustfördelning och fördelning av kylluftflöde beaktades. Studien illustrerar hur olika antaganden påverkar det simulerade temperaturfältet, och hur resultaten står sig i jämförelse med mätningar. 

    Numeriska metoder för upplösning av värmeöverföring och hur denna är kopplad till strukturer i fluiden presenteras. En luftstråle som infaller på en uppvärmd plan yta studerades med hjälp av Large Eddy Simulation (LES) och erhållen data behandlades med Extended Proper Orthogonal Decompositon (EPOD). Studien visar på kopplingen mellan strukturer i flödet och strukturer i värmeöverföringen. 

    Termisk analys är en viktig del av design- och dimensioneringsprocessen för en motor. En vanligt förekommande metod för detta är termiska nätverk. I denna avhandling presenteras en prototyp till en method för automatisk kalibrering av termiska nätverk, där kalibrering sker mot en extern källa till temperaturdata. Tillämpning av Computational Fluid Dynamics (CFD) för att beräkna in-data till termiska nätverk presenteras också, där en utökning av befintliga korrelationer för värmeöverföring vid lindningsutsticken hos formlindade maskiner föreslås.

    Studierna ämnar till att möjliggöra förbättra predikteringsförmågan hos värmeöverförings- och temperatursimuleringsmetoder tillämpade vid analys av elektriska maskiner.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2022. , s. xii, 52
Serie
TRITA-SCI-FOU ; 2022:60
Nyckelord [en]
Electric machines, energy efficiency, heat transfer, thermal management, high fidelity simulation, computational fluid dynamics (CFD), proper orthogonal decomposition (POD), lumped parameter thermal network (LPTN)
Nyckelord [sv]
Elektriska maskiner, energieffektivitet, verkningsgrad, värmeöverföring, värmehantering, simuleringar med hög upplösning, strömningsmekaniska beräkningar, proper orthogonal decomposition (POD), termiska nätverk
Nationell ämneskategori
Annan elektroteknik och elektronik Energiteknik
Forskningsämne
Teknisk mekanik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-321585ISBN: 978-91-8040-427-3 (tryckt)OAI: oai:DiVA.org:kth-321585DiVA, id: diva2:1711788
Disputation
2022-12-15, https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_05A23IvPROCKA2beck3VUA, H1, Teknikringen 33, Stockholm, 13:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
Stiftelsen för strategisk forskning (SSF)
Anmärkning

QC 20221118

Tillgänglig från: 2022-11-18 Skapad: 2022-11-18 Senast uppdaterad: 2025-10-30Bibliografiskt granskad
Delarbeten
1. Thermal Modelling of Totally Enclosed Fan Cooled motors
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Thermal Modelling of Totally Enclosed Fan Cooled motors
2018 (Engelska)Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Abstract [en]

This paper undertakes an investigation into thermal modelling of Totally Enclosed Fan-Cooled (TEFC) motors used in traction applications. In the process, a 3D Computational Fluid Dynamics (CFD)-based Conjugate Heat Transfer (CHT) model is utilized, including the realistic stator geometry with cooling channels and considering the rotor rotation through the multiple reference frame approach. Extended air flow measurement data are used to determine the modelled air speed through the cooling channels and account for the impact of partial duct blockage. Loss distributions obtained via a transient electromagnetic Finite Element (FE) model are used in the process of heat source definition. Additionally, a simplified net radiation model is integrated in the boundary definitions along with natural convection. The main purpose of this paper is to highlight how different modelling approaches affect the obtained temperature distribution. The particular focus of this work is on the stator side and can be extended to various rotor structures. The methodology developed is applied for the thermal characterization of a prototype Interior Permanent Magnet (IPM) motor.

Nationell ämneskategori
Annan elektroteknik och elektronik Strömningsmekanik
Forskningsämne
Teknisk mekanik; Elektro- och systemteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-286679 (URN)978-1-5386-2477-7 (ISBN)
Konferens
XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM)
Anmärkning

QC 20201216

Tillgänglig från: 2020-11-27 Skapad: 2020-11-27 Senast uppdaterad: 2025-02-09Bibliografiskt granskad
2. Large Eddy Simulation of Circular Impinging Jet for Heat Transfer Applications
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Large Eddy Simulation of Circular Impinging Jet for Heat Transfer Applications
2019 (Engelska)Ingår i: Proceedings XII ERCOFTAC Workshop Direct and Large Eddy Simulation / [ed] Manuel García-VillalbaHans KuertenMaria Vittoria Salvetti, Springer Nature , 2019, Vol. 27, s. 69-75Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Abstract [en]

Impinging jets are being used in a wide range of applications, e.g., food processing, turbine blade cooling, and automobile windscreen defrosting. While early studies are about half a century old, impinging jets are still being explored and new features are revealed constantly through experimental and numerical investigations.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Springer Nature, 2019
Nationell ämneskategori
Strömningsmekanik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-286682 (URN)10.1007/978-3-030-42822-8_9 (DOI)2-s2.0-85085202396 (Scopus ID)
Konferens
ERCOFTAC Workshop Direct and Large Eddy Simulation XII
Forskningsfinansiär
Stiftelsen för strategisk forskning (SSF)
Anmärkning

QC 20210114

Tillgänglig från: 2020-11-27 Skapad: 2020-11-27 Senast uppdaterad: 2025-02-09Bibliografiskt granskad
3. Heat transfer and associated coherent structures of a single impinging jet from a round nozzle
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Heat transfer and associated coherent structures of a single impinging jet from a round nozzle
2021 (Engelska)Ingår i: International Journal of Heat and Mass Transfer, ISSN 0017-9310, E-ISSN 1879-2189, Vol. 173, artikel-id 121197Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

The heat transfer arising from an impinging jet at a Reynolds number of 500 0 is studied through LargeEddy Simulation (LES), with special attention on the heat transfer dynamics. The obtained heat transfer and flow fields are decomposed and studied using proper orthogonal decomposition (POD) and extended proper orthogonal decomposition (EPOD). The heat transfer appear to be distributed according to a gamma distribution, in time, with location-dependent shape and scale parameters. The results obtained show that, over time, many locations on the impingement plate experience large over- and undershoots compared to the time-averaged Nusselt number distribution. The POD analysis show that the low order heat transfer modes, while having low relative intensity, are associated with distinct flow features. The flow features are identified by application of EPOD. The two dominant modes are associated with ring-like vortex structures organized concentrically around the impingement point. Reconstruction of the heat transfer field using the three first modes and the mean field show radially outward moving structures with a phase velocity of 0.23 U-b.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Elsevier BV, 2021
Nyckelord
Heat transfer, Impinging jet, Large-Eddy simulation (LES), Proper orthogonal decomposition (POD), Turbulent flow
Nationell ämneskategori
Strömningsmekanik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-296369 (URN)10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121197 (DOI)000646196300008 ()2-s2.0-85103421406 (Scopus ID)
Anmärkning

QC 20210617

Tillgänglig från: 2021-06-17 Skapad: 2021-06-17 Senast uppdaterad: 2025-02-09Bibliografiskt granskad
4. Machine learning-based adjustments of thermal networks
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Machine learning-based adjustments of thermal networks
2022 (Engelska)Ingår i: 11th International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2022), 2022Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Abstract [en]

A-priori defined thermal networks usually show reasonable agreement between measured and simulated temperature results. Discrepancies are, however, encountered on a regular basis depending on how well the model is replicating reality, and as a result, the accuracy of the thermal network may be reduced. This paper shows an evaluation of machine learning methods for adjusting the thermal network of an electric machine based on temperature inputs. The thermal resistances constituting the network are thus updated with regards to the operating conditions. Three machine learning methods (linear, nearest neighbour, and perceptron regressors) have been assessed to decide the best one for this application and machine specifications. Investigations performed revealed good predictive capability of the machine learning model with the multi-layer perceptron regressor. The machine learning-based adjustment of the thermal network exhibited promising results for the potential development of self-tuned thermal models.

Nationell ämneskategori
Elektroteknik och elektronik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-321583 (URN)
Konferens
11th International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2022)
Anmärkning

QC 20221129

Tillgänglig från: 2022-11-17 Skapad: 2022-11-17 Senast uppdaterad: 2022-11-29Bibliografiskt granskad
5. Analysis of end winding heat transfer in a low-speed motor with forced external cooling
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Analysis of end winding heat transfer in a low-speed motor with forced external cooling
(Engelska)Ingår i: IEEE transactions on energy conversion, ISSN 0885-8969, E-ISSN 1558-0059Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Submitted
Abstract [en]

This paper describes end-winding heat transfer under forced external cooling, a cooling arrangement which is not commonly studied in literature. The average end-winding heat transfer under different rotational speeds and external coolant supply is studied through the use of computational fluid dynamics. As a result of the analysis, an analytical expression for the combined effect of rotation and external forced cooling is proposed. Finally, the established expression is used in an lumped-parameter thermal-network analysis and resulting temperatures are compared with corresponding measurements.

Nyckelord
Heat transfer, end winding, induction machine, low-speed machine, form winding
Nationell ämneskategori
Annan elektroteknik och elektronik
Forskningsämne
Teknisk mekanik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-321584 (URN)
Forskningsfinansiär
Stiftelsen för strategisk forskning (SSF)
Anmärkning

QC 20221129

Tillgänglig från: 2022-11-17 Skapad: 2022-11-17 Senast uppdaterad: 2022-11-29Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

sammanfattning(1091 kB)569 nedladdningar
Filinformation
Filnamn SUMMARY01.pdfFilstorlek 1091 kBChecksumma SHA-512
ce25defcb581c6505019f6523774457bc5afd8baef3b80badf5291c6b46ef0ee7b08bd6ae446fec945eb4d05d68354e29077987c309e91c0f83eb1e6f0513e97
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Person

Rönnberg, Kristian

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Rönnberg, Kristian
Av organisationen
Teknisk mekanik
Annan elektroteknik och elektronikEnergiteknik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 0 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

isbn
urn-nbn

Altmetricpoäng

isbn
urn-nbn
Totalt: 2377 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf