Otimização de projeto e investigação numérico-experimental de sistemas de resfriamento de motores elétricos com alta densidade de potência.

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Borges, Samuel Santos
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Alta densidade de potência; Cold plates; Cooling system; Electric motor; Fluid-thermal; Fluído-térmico; High power density; Motores elétricos; Numerical-experimental; Numérico-experimental; Optimization; Otimização; Placas frias; Sistema de resfriamento
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-16012026-114611/

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.