Simulation of low phenomena in cooling of an electrical machine

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKanninen, Pekka
dc.contributor.authorHalme, Matti Heikki
dc.contributor.departmentEnergiatekniikan laitosfi
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorSiikonen, Timo
dc.date.accessioned2020-12-23T17:37:25Z
dc.date.available2020-12-23T17:37:25Z
dc.date.issued2011
dc.description.abstractIncrease in computing power has enabled the optimisation of electrical machines through flow simulation by numerical methods. In numerical computing, of importance is to know the effect of singular flow phenomena to the cooling process, so that the validity of the cooling as a whole could be justifiably estimated. It is challenging to find a computational model, that doesn't demand unreasonably much computational time and, yet isn't too simple to leave the most important phenomena modelled. The cooling was divided to three different components: flow between two concentric cylinders, flow in a channel rotating about a parallel axis and flow in a duct rotating about an orthogonal axis. The flow between cylinders is a Couette-flow. Thus the most important thing was the relationship between the angular speed of the moving part of the electrical machine, the rotor, and the dimensionless numbers describing laminar instabilities and turbulence. It was convenient to study the flow in a rotating channel as a normal channel flow affected by virtual Coriolis-and centrifugal forces describing the relative motion of different coordinate systems. Also an interesting case was the flow through the orifices of a rotating channel, which lacked previous research. The flow in a radial duct was limited to the study of pressure gain in ducts, which is the most important goal for radial ducts in the types of electrical machines that take advantage of them. Reynolds-averaged control-volume method was used as a numerical method with the turbulence modelling implemented by the most common two-equation models: kappa - epsilon-and kappa - omega-models. Thus a sufficiently simple model was reached, that nevertheless can model the most fundamental phenomena. The instabilities related to the flow between cylinders, so called Taylor vortices, were modelled precisely with models based on Reynolds-averaging. It was noticed, that the instabilities don't considerably affect the friction losses. The rotation was shown to have an effect on the flow in axial channels regardless of the length of channel. In short channels spiral vortices caused by Coriolis -effect increased heat transfer and friction losses, whereas in long channels the vortices caused by centrifugal effect had the same effect. An equation was found for minor losses of an inlet of a rotating channel based on the relation between the rotating speed of an orifice and the through flow. The maximal pressure gain in a radial duct was observed to be easily derived from the basic equations of the fan technology. The pressure losses following an increased flow rate were found to be caused by 180 degree turns of the flow in radial ducts. The turbulence models studied weren't able to model accurately all the flow phenomena involved in the cooling of an electrical machine. Also, neither model was clearly a better turbulence model than the other.en
dc.description.abstractLaskentatehon kasvu on mahdollistanut sähkökoneiden jäähdytyksen optimoinnin numeerisin menetelmin virtaussimulointiohjelmilla. Numeerisen laskennan kannalta on keskeistä tietää yksittäisten virtausilmiöiden vaikutus jäähdytyksen, jotta kokonaisuuden oikeellisuutta voitaisiin perustellusti arvioida. On haastavaa löytää laskentamalli, joka ei vaadi kohtuuttomasti laskenta-aikaa mutta ei ole myöskään liian yksinkertainen, jotta tärkeimmät ilmiöt jäisivät mallintamatta. Jäähdytys jaettiin kolmeen eri komponenttiin: virtaukseen kahden samankeskisen sylinterin välissä, virtaukseen samansuuntaisen akselin ympäri pyörivässä kanavassa sekä virtaukseen akseliin nähden kohtisuorassa solassa. Virtaus sylinterien välissä on tyypiltään Couette-virtaus eli olennaista oli sähkökoneen liikkuvan osan eli roottorin kulmanopeuden suhde laminaaria epästabiiliutta kuvaavaan Taylorin lukuun sekä turbulenssia kuvaavaan Reynoldsin lukuun. Virtausta pyörivässä aksiaalikanavassa oli luontevaa tutkia tavallisena kanavavirtauksena, johon vaikuttavat eri koordinaatistojen suhteellista liikettä kuvaavat virtuaaliset Coriolis- ja keskipakoisvoimat. Lisäksi kiinnostavaa oli virtaus pyörivän kanavan suuaukkojen läpi, josta oli kovin vähän aiempaa tutkimusta. Virtaus radiaalisolassa rajattiin paineen kasvun tutkimiseen, sillä paineen kasvatus on radiaalisolien tärkein funktio niitä hyödyntävissä sähkökonetyypeissä. Numeerisena menetelmänä käytettiin Reynolds-keskiarvotukseen perustuvaa kontrollitilavuusmenetelmää, jossa turbulenssimallinnus toteutettiin yleisimmillä kaksiyhtälömalleilla: kappa - epsilon- ja kappa - oomega-malleilla. Näin saatiin riittävän yksinkertainen malli,joka silti pystyy mallintamaan perustavimmat ilmiöt. Virtaukseen sylinterien välissä liittyvät epästabiiliudet, ns. Taylor-pyörteet, pystyttiin mallintamaan täsmällisesti Reynolds-keskiarvotukseen perustuvilla malleilla. Havaittiin, että epästabiiliudet eivät vaikuta huomattavasti kitkavastuksiin. Pyörimisliikkeellä osoitettiin olevan vaikutus virtaukseen aksiaalikanavissa kanavan pituudesta riippumatta. Lyhyissä kanavissa Coriolis-ilmiön aiheuttama spiraalimainen pyörre kasvattaa lämmönsiirtoa ja kitkavastusta, kun taas pitkissä kanavissa sama seuraa keskipakoisilmiön aiheuttamista pyörteistä. Aksiaalikanavan sisäänvirtauksen kertavastukselle löydettiin yhtälö suuaukon pyörimisnopeuden ja kanavan läpivirtauksen funktiona. Radiaalisolan maksimaalisen paineen kasvun todettiin olevan helposti johdettavissa puhallintekniikan perusyhtälöistä. Tilavuusvirran kasvamisesta seuraavien painehäviöiden todettiin johtuvan virtauksen 180 asteen käännöksistä radiaalisolissa. Tarkastellut turbulenssimallit eivät pystyneet mallintamaan tarkasti kaikkia sähkökoneen jäähdytykseen kytkeytyviä virtausilmiöitä. Kumpikaan malleista ei ollut myöskään selvästi toista parempi turbulenssimalli.fi
dc.format.extent(11) + 99
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/99526
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-2020122358353
dc.language.isofien
dc.programme.majorLämpötekniikka ja koneoppifi
dc.programme.mcodeEne-39fi
dc.rights.accesslevelclosedAccess
dc.subject.keywordelectrical machineen
dc.subject.keywordsähkökonefi
dc.subject.keywordcoolingen
dc.subject.keywordjäähdytysfi
dc.subject.keywordTaylor - Couetteen
dc.subject.keywordTaylor - Couettefi
dc.subject.keywordaxial channelen
dc.subject.keywordaksiaalikanavafi
dc.subject.keywordradial ducten
dc.subject.keywordradiaalisolafi
dc.titleSimulation of low phenomena in cooling of an electrical machineen
dc.titleSähkökoneen jäähdytyksen virtausilmiöiden simulointifi
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotPro gradu -tutkielmafi
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_58961
local.aalto.idinssi42870
local.aalto.openaccessno
Files