Design and analysis of a novel stator oil-flooded cooling system for aircraft electrical machines with hairpin windings

Resumen

La creciente preocupación por el medio ambiente y la economía ha impulsado a varios sectores a mejorar la eficiencia energética. En sectores como la aeronáutica, esto se consigue mediante la electrificación y la reducción de peso, lo que implica necesariamente la sustitución de los sistemas neumáticos, mecánicos e hidráulicos convencionales por accionamientos eléctricos. Además, las máquinas eléctricas también ofrecen una mayor eficiencia y requieren menos mantenimiento. Por tanto, minimizar el peso de las máquinas eléctricas es esencial para reducir el consumo de combustible y las máquinas de imanes permanentes ofrecen la mayor densidad de potencia. El uso de devanados hairpin puede ayudar a reducir el peso, gracias a su elevado factor de relleno de ranura y a sus reducidas cabezas de bobina, y ya han demostrado su potencial en sectores como el de la automoción. Otro factor clave para mejorar la densidad de potencia son los sistemas de refrigeración. Entre todos los sistemas de refrigeración líquidos, las soluciones de estator inundado de aceite son las más prometedoras, tanto por su capacidad de refrigeración como por la mejora del aislamiento eléctrico entre conductores que las hace adecuadas para aplicaciones aeronáuticas. En esta tesis se aborda la combinación de estos dos aspectos, el devanado hairpin y la refrigeración mediante estator inundado de aceite para aplicaciones aeronáuticas, y se presenta un novedoso sistema de refrigeración que ha sido patentado. Para ello, se describe la solución propuesta y se detallan las ventajas de esta disposición de refrigeración. Se presentan las ecuaciones que definen su comportamiento, se evalúa experimentalmente su potencial mediante el uso de un motorette y se proporcionan criterios de diseño. Posteriormente, el concepto presentado se aplica en una máquina industrializada y probada en campo para vehículos todoterreno pesados en sustitución de una disposición de refrigeración por camisa de agua, terminando con un prototipo para evaluar la mejora en densidad de potencia. A continuación, la nueva solución de refrigeración se aplica a un diseño conceptual para una aplicación aeronáutica. Por último, se resumen los principales resultados de esta tesis y se esbozan las principales líneas de investigación futuras.