Electrostatical and thermal design of the insulation in a high voltage permanent magnet generator

Abstract

[ES] Se trata del diseño del aislamiento de un generador de imanes permanentes de corriente alterna que trabaja a alto voltage, en primer lugar he realizado el diseño electróstatico para verificar que el material aislante(mica) resiste el campo eléctrico al que está sometido, y en segundo lugar he realizado el análisis térmico con ansys Fluent , pues las temperaturas que se alcanzan a ese voltaje son muy altas. Consta de un primer análisis sin refrigeración directa, en esta parte el calor se evacua por conducción y por convección con el aire exterior y el aire en el air gap entre el rotor y el estátor y de una segunda parte donde añado un canal de refrigeración en el interior de cada bobina para reducir más la temperatura. Por último, una de mis supervisoras unirá su simulación electromagnética, el calor que se genera debido a esto, con mi simulación térmica para acabar de analizar el generador completamente. Todo esto lo realizo basándome en simplificaciones por simetría y analizo un solo polo del generador en 2D.

[EN] This thesis covers the electrostatical analysis and design of the insulation, performed by means of Matlab and Ansys Maxwell as well as the thermal analysis and design by Ansys Fluent. Both analysis have been done first by calculating analytical approximations and then by simulating the generator under different operating conditions. The approach is quite conservative since the aim of this thesis is to verify that the cool down of an electric machine of this characteristics would be possible. Thermal resistance networks coupled with Ansys Fluent have been used to analyse the heat transfer inside the machine. Based on the electrostatic analysis, the minimum insulation thickness was designed, a thickness of 1mm in the turn insulation and another milimeter for the groundwall, with this configuration, cooling down the generator with an air cooling system was unfeasible, thus a cooling channel that went through the slots was designed, both the analytical and the numerical analysis verified that the heat was easily evacuated when introducing a water cooling channel inside the slots.