Thermal and hydraulic design of water-based cooling systems for electrical machines

Resumen

El diseño térmico de máquinas eléctricas está ganando más importancia en el ámbito industrial y entre la comunidad científica, especialmente, debido a los requerimientos de las aplicaciones donde se utilizan las máquinas, donde se precisan altas densidades de potencia y un grado de fiabilidad muy alto. El objetivo de este trabajo ha sido obtener unos criterios de diseño para poder optimizar dos sistemas de refrigeración para máquinas eléctricas. Precisamente, los sistemas analizados utilizan agua como refrigerante secundario y están clasificados por la norma IEC60034 como el IC71W y el IC81W. Estos sistemas son muy populares entre aplicaciones marinas y de tracción. Con el fin de poder predecir de manera precisa el comportamiento térmico de estos sistemas se han desarrollado modelos algebraicos y modelos CFD. Una vez estos modelos han sido validados experimentalmente, se han utilizado para obtener los criterios de diseño para optimizar los sistemas de refrigeración. Por ello, primeramente, las consideraciones para desarrollar un modelo térmico para el IC71W han sido expuestas. Incluyendo una clasificación de las correlaciones más importantes y una revisión detallada del modelado de la camisa de agua. Después, la resolución matemática del sistema expuesto ha sido explicada, así como su validación experimental. Después, utilizando el modelo previamente validado, una metodología de diseño para la camisa de agua del IC71W ha sido desarrollada. Diferentes elementos del sistema como el eje o la carcasa también han sido analizados, obteniendo criterios para su diseño. Finalmente, la inclusión de tetones en el sistema de refrigeración ha sido examinada, proponiendo una configuración óptima y analizando su efecto en las temperaturas de las cabezas de bobina del estator. En cuanto al sistema IC81W, se ha seguido el mismo procedimiento. Como primer paso, se ha desarrollado un modelo hidráulico-térmico. El modelo hidráulico se ha descrito en detalle, pues es crucial para la obtención de la velocidad del aire dentro de la máquina. También, un método para su implantación en un modelo matemático ha sido descrito y después, su validación experimental ha sido presentada. Finalmente, con el modelo analítico desarrollado, los elementos principales del sistema IC81W (que está muy extendido en el sector marino) han sido analizados, el ventilador y el circuito primario. Primero se propone un procedimiento de análisis para el ventilador, donde se estudia el efecto de distintos parámetros que definen el elemento en el caudal y el rendimiento global. Además, diferentes elementos que conforman el circuito primario han sido analizados, obteniendo una configuración óptima para reducir las temperaturas en las partes activas de la máquina.