A CFD Analysis of Thermal Performance: Direct Oil Immersion and Indirect Water Jacket Cooling
(2026) In CODEN:LUTEDX/TEIE EIEM01 20261Division for Industrial Electrical Engineering and Automation
- Abstract
- The transition toward battery electric vehicles requires motors with increasingly high power densities, pushing traditional thermal management systems to their limits. This thesis conducts a comparative computational fluid dynamics (CFD) analysis to evaluate the thermal performance of Direct Oil Immersion Cooling versus Indirect Water Jacket Cooling for EV motor stators. CFD simulations were performed on a reference stator motorette using Autodesk CFD. To ensure a fair comparison, both cooling methods were evaluated at a load of 1800 ampere-turns per coil. This entailed using five coil turns for direct cooling and six for indirect cooling, resulting in conductor current densities of 34.0 A/mm² and 25.6 A/mm², respectively, for the same... (More)
- The transition toward battery electric vehicles requires motors with increasingly high power densities, pushing traditional thermal management systems to their limits. This thesis conducts a comparative computational fluid dynamics (CFD) analysis to evaluate the thermal performance of Direct Oil Immersion Cooling versus Indirect Water Jacket Cooling for EV motor stators. CFD simulations were performed on a reference stator motorette using Autodesk CFD. To ensure a fair comparison, both cooling methods were evaluated at a load of 1800 ampere-turns per coil. This entailed using five coil turns for direct cooling and six for indirect cooling, resulting in conductor current densities of 34.0 A/mm² and 25.6 A/mm², respectively, for the same conductor cross-section of 3.8x2.8 mm². This meant that the direct case had a lower copper fill factor, and hence was subjected to a 77% higher volumetric heat generation rate when compared to the indirect case.
Despite this thermal difference and the use of a lower-capacity dielectric fluid, direct oil immersion demonstrated thermal efficiency higher than that of the indirect counterpart. The indirect cooling case hit a rigid thermal ceiling, peaking at a 248.8 °C with a steep internal gradient of 58 °C, fundamentally bottle necked by the conductive resistance. Conversely, direct cooling bypassed these barriers via direct convective heat extraction, capping the maximum temperature at 131.6 °C. Furthermore, it established good thermal uniformity, constraining the internal temperature gradient to a narrow interval of 16 °C to 21 °C. For indirect water cooling, the flow rate is 1.45 L/min and the average flow velocity is 2.14 m/s in a Ø3.8 mm tube, whereas for direct oil cooling, the flow rate is 1.5 L/min and the average flow velocity is 0.435 m/s in a 100.91 mm² cooling channel. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- En CFD analys om Termisk Prestanda: Direkt Oljekylning & Indirekt Vattenkanalkylning
Vårt examensarbete visar att det, jämfört med en konventionell elmaskin med kylmantel och vattenkylning (indirekt kylning), är möjligt att avsevärt minska lindningstemperaturerna i en elektrisk maskin genom att låta kylolja flöda genom lindningen, vilket banar väg för utvecklingen av kraftfullare och lättare elfordon.
I takt med att bilindustrin ställer om till batteridrivna elfordon ökar kraven på elmotorernas prestanda. För att nå upp till konsumenternas förväntningar på räckvidd och effekt strävar tillverkare efter att få ut mer kraft ur mindre och lättare motorer. Detta skapar dock ett enormt tekniskt problem: extrem värmeutveckling. Värmen... (More) - En CFD analys om Termisk Prestanda: Direkt Oljekylning & Indirekt Vattenkanalkylning
Vårt examensarbete visar att det, jämfört med en konventionell elmaskin med kylmantel och vattenkylning (indirekt kylning), är möjligt att avsevärt minska lindningstemperaturerna i en elektrisk maskin genom att låta kylolja flöda genom lindningen, vilket banar väg för utvecklingen av kraftfullare och lättare elfordon.
I takt med att bilindustrin ställer om till batteridrivna elfordon ökar kraven på elmotorernas prestanda. För att nå upp till konsumenternas förväntningar på räckvidd och effekt strävar tillverkare efter att få ut mer kraft ur mindre och lättare motorer. Detta skapar dock ett enormt tekniskt problem: extrem värmeutveckling. Värmen kommer främst från motorns kopparlindningar och om den inte hanteras effektivt kan isoleringen smälta, vilket leder till kortslutning och motorhaveri.
I vårt examensarbete har vi med hjälp av datorsimuleringar med CFD-programmet Autodesk CFD jämfört två olika kylmetoder för elmotorer: indirekt vattenkylning och direkt oljekylning. Indirekt kylning fungerar ungefär som en kylmantel, där vatten pumpas i kanaler i motorns yttre hölje för att leda bort värmen inifrån motorn. Direkt oljekylning innebär istället att man låter en icke-ledande (dielektrisk) olja flöda fritt inuti själva motorn så att den spolar direkt över de glödheta koppartrådarna.
För att jämförelsen skulle bli vetenskapligt rättvis designades de båda simulerade motorerna för att producera exakt samma magnetiska drivkraft (1800 Ampere-turns). Detta innebar att den oljekylda motorn var tvungen att ha färre lindningar och därmed genererade 77 procent mer värme per volymenhet än den vattenkylda motorn.
Trots att den direkta oljekylningen behövde kyla ner ett varmare scenario, visade sig metoden vara mer effektiv. Den indirekta vattenkylningen slog i ett så kallat termiskt tak, där motorns inre delar nådde en extrem temperatur på 248,8°C. Detta beror på att värmen stängs inne av lager på lager av isoleringsmaterial innan den når fram till kylvattnet. Den valda isoleringen runt koppartrådarna i denna studie var av DAMIDBOND 200 vilket innebär att den endast tål upp till 200°C. Detta innebär att den vattenkylda designen skulle riskera att orsaka en brandrisk under dessa förhållanden.
Den direkt kylda motorn höll sig däremot på en mycket säkrare maxtemperatur av 131,6°C. Dessutom var temperaturen jämnare fördelad i hela motorn, med en temperaturskillnad på 16 till 21 grader mellan de varmaste och kallaste delarna (att jämföra med 58 graders skillnad i den vattenkylda modellen).
Våra resultat visar att direkt oljekylning eliminerar de inre värmefällorna i motorn. Även om ett sådant kylsystem är mer komplext, tyngre att pumpa och ställer högre krav på förtätningar, gör det att framtidens elmotorer kan köras betydligt hårdare utan att överhettas. I längden ger detta ingenjörerna friheten att antingen bygga kraftfullare bilar, eller att göra motorerna ännu mindre och lättare för att uppnå en ännu längre räckvidd. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9252427
- author
- Sardar Abdulla, Ali Halbastian LU and Ilhamoi, Hadi LU
- supervisor
- organization
- course
- EIEM01 20261
- year
- 2026
- type
- H3 - Professional qualifications (4 Years - )
- subject
- keywords
- CFD, Direct Oil Immersion Cooling, Indirect Water Jacket Cooling, Electric Vehicle Motors, Stator Motorette, Thermal Management, Steady-State, Internal Flows, Laminar Flow, Turbulent Flow, Convective Heat Extraction, Small Spacing, Flow in Thin Domains, Mesh Independence Study, Gap Refinement, Denser Mesh Region, Autodesk CFD
- publication/series
- CODEN:LUTEDX/TEIE
- report number
- 5570
- language
- English
- id
- 9252427
- date added to LUP
- 2026-10-28 11:50:39
- date last changed
- 2026-10-28 11:50:39
@misc{9252427,
abstract = {{The transition toward battery electric vehicles requires motors with increasingly high power densities, pushing traditional thermal management systems to their limits. This thesis conducts a comparative computational fluid dynamics (CFD) analysis to evaluate the thermal performance of Direct Oil Immersion Cooling versus Indirect Water Jacket Cooling for EV motor stators. CFD simulations were performed on a reference stator motorette using Autodesk CFD. To ensure a fair comparison, both cooling methods were evaluated at a load of 1800 ampere-turns per coil. This entailed using five coil turns for direct cooling and six for indirect cooling, resulting in conductor current densities of 34.0 A/mm² and 25.6 A/mm², respectively, for the same conductor cross-section of 3.8x2.8 mm². This meant that the direct case had a lower copper fill factor, and hence was subjected to a 77% higher volumetric heat generation rate when compared to the indirect case.
Despite this thermal difference and the use of a lower-capacity dielectric fluid, direct oil immersion demonstrated thermal efficiency higher than that of the indirect counterpart. The indirect cooling case hit a rigid thermal ceiling, peaking at a 248.8 °C with a steep internal gradient of 58 °C, fundamentally bottle necked by the conductive resistance. Conversely, direct cooling bypassed these barriers via direct convective heat extraction, capping the maximum temperature at 131.6 °C. Furthermore, it established good thermal uniformity, constraining the internal temperature gradient to a narrow interval of 16 °C to 21 °C. For indirect water cooling, the flow rate is 1.45 L/min and the average flow velocity is 2.14 m/s in a Ø3.8 mm tube, whereas for direct oil cooling, the flow rate is 1.5 L/min and the average flow velocity is 0.435 m/s in a 100.91 mm² cooling channel.}},
author = {{Sardar Abdulla, Ali Halbastian and Ilhamoi, Hadi}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
series = {{CODEN:LUTEDX/TEIE}},
title = {{A CFD Analysis of Thermal Performance: Direct Oil Immersion and Indirect Water Jacket Cooling}},
year = {{2026}},
}