Bachelor's Thesis

Rotor cooling of traction electric motors for passenger vehicles

Final Thesis 2.17 MB

Author of thesis: Bc. Martin Škop

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Antonín Krmíček

Abstract:

High power density traction electric motors are an essential component of modern personal electromobility applications. A key challenge during their operation is the enormous thermal load on the rotor, the cooling of which is significantly hindered by the insulating nature of the stator air gap. A fundamental increase in heat dissipation can be achieved through the appro-priate integration of active direct oil cooling using a hollow shaft. The approach presented in this thesis combines analytical calculations with complex 3D CFD simulations in Ansys CFX software to map hydrodynamics and heat transfer in detail at an operating speed of 14,000 rpm. This numerical procedure demonstrates the influence of centrifugal forces on the initiation of the so-called self-pumping effect and confirms that doubling the internal shaft diameter (from 20 mm to 40 mm) allows for an increase in the heat transfer coefficient α by more than 50%. However, as the cross-section increases, an adequate increase in the coolant volume flow rate is necessary to maintain cooling efficiency. The analysis further reveals the formation of negative pressures with a risk of cavitation in the rotation axis. Although the results obtained are of an approximate nature due to mesh density sensitivity, the thesis thus reveals fundamental design limits for the safe development of real motors and proposes shaft modification using radial nozzles for supplementary cooling of the stator end-windings.

Keywords:

Traction electric motor, rotor cooling, hollow shaft, heat transfer coefficient, CFD simulation, thermal management, electromobility.

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta: V práci popisujete problémy spojené s tzv. self. pumping efektem a následným možným vznikem virových struktur. Jaká konstrukční řešení se v praxi používají pro omezení tohoto jevu u reálných elektromotorů? -Zodpovězeno Jaký vliv má volba okrajové podmínky na vstupu na vznik tohoto jevu (self pumping) a jaké změny by bylo možné očekávat při použití reálné geometrie motoru na vstupu? -Zodpovězeno Dále odpovídal na otázky členů komise: Způsobuje proudění kapaliny nějaké výrazné ztráty? Řeší se to? -Zodpovězeno Kolik % tvoří tyto ztráty z celkových? -Nezodpovězeno Jaký motorový olej jste uvažoval? -Zodpovězeno částečne Mohl byste se vyjádřit ke konvergenci výpočtů? Proč byl volen tak jemný krok? Jak si vysvětlujete propad v bodě 8? -Zodpovězeno částečně Jak jste určoval tlakovou ztrátu? -Zodpovězeno částečně

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D. (předseda)
Ing. Aleš Prokop, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Lubomír Drápal, Ph.D. (člen)
Ing. Michael Böhm, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Vacula, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Student ve své bakalářské práci o rozsahu 51 stran, 37 stran bez úvodních a závěrečných částí, řešil problematiku chlazení rotorů trakčních elektrických motorů pro osobní vozidla. Práce je zaměřena na aktuální oblast tepelného managementu vysokootáčkových elektrických pohonů, kde chlazení rotoru představuje významný technický problém zejména u motorů s permanentními magnety a vysokým měrným výkonem.

Student pracoval samostatně a prokázal schopnost zorientovat v problematice, která propojuje elektrické stroje, sdílení tepla, proudění tekutin a základy numerického modelování. Rešeršní část je zpracována v nadstandardním rozsahu. Student popisuje zdroje tepla v elektromotorech, základní mechanismy přenosu tepla, teplotní limity rotorů a různé způsoby pasivního i aktivního chlazení. Pozitivně hodnotím snahu o klasifikaci jednotlivých metod a formulaci jejich výhod a nevýhod. Některé části rešerše jsou však místy formulovány obecněji a některé závěry by si zasloužily hlubší kritickou diskuzi.

V praktické části student zvolil koncepci přímého chlazení olejem pomocí duté hřídele. Lze velmi ocenit, že student vytvořil zjednodušený analytický výpočet a následně CFD model v prostředí Ansys CFX. Cílem nebyla detailní validovaná analýza, ale demonstrace základního použití výpočtového nástroje pro posouzení přestupu tepla v rotorové části elektromotoru. Student vyhodnotil vliv průtoku, průměru dutiny hřídele a otáček na součinitel přestupu tepla a upozornil také na riziko lokálních podtlaků. V práci oceňuji i využití analytického výpočtového modelu.

Výpočtový model je však zatížen řadou zjednodušujících předpokladů, zejména použitím zjednodušených okrajových podmínek, omezenou hustotou sítě a absencí experimentální validace. Výsledky je proto nutné chápat především kvalitativně a demonstračně, nikoliv jako přesný návrhový výpočet reálného chladicího systému. Student si je těchto omezení částečně vědom, což hodnotím pozitivně.

Cíle práce byly splněny. Práce splňuje požadavky kladené na bakalářskou závěrečnou práci.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Antonín Krmíček

Bakalářská práce studenta Martina Škopa o rozsahu 55 stran je tvořena rešeršní částí o rozsahu 20 stran a numerickou analýzou o rozsahu 15 stran.

V úvodu rešeršní části autor popisuje zdroje tepla a způsoby jeho odvodu v elektromotorech. Uvedeny jsou teoretické a obecné vztahy, které však nejsou v další části práce využity.

Kapitola zaměřená na teplotní management motorů představuje stěžejní část práce a je zpracována na velmi dobré úrovni. Autor přehledně popisuje jednotlivé způsoby chlazení, zdůrazňuje jejich výhody, nevýhody i omezení a zaměřuje se zejména na vliv na chlazení rotoru. Z pohledu úplnosti by bylo vhodné doplnit zmínku o chlazení rotoru pomocí axiálních kanálů.

Z hlediska formálního zpracování se v práci vyskytují drobné nedostatky, například dílčí nepřesnosti v terminologii (použití výrazu „termální“), anglické popisy u některých obrázků či grafické nedostatky.

Na základě rešeršní části autor vhodně volí koncepci pro následnou numerickou analýzu. Analyzovaná geometrie představuje oblast uvnitř rotující trubky. Nejprve je problém řešen analyticky pomocí korelačních vztahů a následně jsou výsledky porovnány s CFD simulací. Popis tvorby výpočetní sítě i zhodnocení její kvality je na dobré úrovni. Výsledky jsou kriticky diskutovány.

Z hlediska práce se zdroji a citacemi je práce na velmi dobré úrovni.

Práci celkově hodnotím jako dobrou, a to mimo jiné s ohledem na její rozsah, který není mimořádný, ale odpovídá požadavkům. Student prokázal dobrou orientaci v problematice chlazení rotorů a na praktickém příkladu demonstroval využití CFD nástrojů pro analýzu proudění a přenosu tepla.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality D
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. V práci popisujete problémy spojené s tzv. self pumping efektem a následným možným vznikem vírových struktur. Jaká konstrukční řešení se v praxi používají pro omezení tohoto jevu u reálných elektromotorů?
  2. Jaký vliv má volba okrajové podmínky na vstupu na vznik tohoto jevu (self pumping) a jaké změny by bylo možné očekávat při použití reálné geometrie motoru na vstupu?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová