Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Mezitím, abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme stránky bez stylů a JavaScriptu.
Vzhledem k provozním nákladům a dlouhé životnosti motoru je mimořádně důležitá správná strategie řízení teploty motoru.Tento článek vyvinul strategii tepelného managementu pro indukční motory, aby zajistily lepší životnost a zlepšily účinnost.Kromě toho byl proveden rozsáhlý přehled literatury o metodách chlazení motoru.Jako hlavní výsledek je uveden tepelný výpočet výkonového vzduchem chlazeného asynchronního motoru s přihlédnutím ke známému problému rozvodu tepla.Kromě toho tato studie navrhuje integrovaný přístup se dvěma nebo více strategiemi chlazení pro splnění současných potřeb.Byla provedena numerická studie modelu vzduchem chlazeného asynchronního motoru o výkonu 100 kW a vylepšeného modelu tepelného managementu téhož motoru, kde je dosaženo výrazného zvýšení účinnosti motoru kombinací vzduchového chlazení a integrovaného vodního chlazení. odneseno.Integrovaný vzduchem chlazený a vodou chlazený systém byl studován pomocí verzí SolidWorks 2017 a ANSYS Fluent 2021.Tři různé průtoky vody (5 l/min, 10 l/min a 15 l/min) byly analyzovány proti konvenčním vzduchem chlazeným indukčním motorům a ověřeny pomocí dostupných publikovaných zdrojů.Analýza ukazuje, že pro různé průtoky (5 l/min, 10 l/min a 15 l/min v daném pořadí) jsme získali odpovídající snížení teploty o 2,94 %, 4,79 % a 7,69 %.Výsledky proto ukazují, že vestavěný indukční motor může účinně snížit teplotu ve srovnání se vzduchem chlazeným indukčním motorem.
Elektromotor je jedním z klíčových vynálezů moderní inženýrské vědy.Elektromotory se používají ve všem, od domácích spotřebičů po vozidla, včetně automobilového a leteckého průmyslu.V posledních letech vzrostla obliba indukčních motorů (AM) kvůli jejich vysokému rozběhovému momentu, dobré regulaci otáček a střední přetížitelnosti (obr. 1).Indukční motory nejen rozzáří vaše žárovky, ale napájejí většinu zařízení ve vaší domácnosti, od zubního kartáčku po vaši Teslu.Mechanická energie v IM vzniká kontaktem magnetického pole vinutí statoru a rotoru.IM je navíc životaschopnou možností kvůli omezené nabídce kovů vzácných zemin.Hlavní nevýhodou AD je však to, že jejich životnost a účinnost jsou velmi citlivé na teplotu.Indukční motory spotřebují asi 40 % světové elektřiny, což by nás mělo přivést k názoru, že řízení spotřeby energie těchto strojů je kritické.
Arrheniova rovnice říká, že s každým zvýšením provozní teploty o 10°C se životnost celého motoru zkrátí na polovinu.Pro zajištění spolehlivosti a zvýšení produktivity stroje je proto nutné dbát na tepelnou kontrolu krevního tlaku.V minulosti byla tepelná analýza zanedbávána a konstruktéři motorů zvažovali problém pouze na periferii na základě zkušeností s návrhem nebo jiných rozměrových proměnných, jako je proudová hustota vinutí atd. Tyto přístupy vedou k aplikaci velkých bezpečnostních rezerv pro nejhorší podmínky zahřívání skříně, což má za následek zvětšení velikosti stroje a tím i zvýšení nákladů.
Existují dva typy termické analýzy: analýza soustředěných obvodů a numerické metody.Hlavní výhodou analytických metod je schopnost provádět výpočty rychle a přesně.Je však třeba vynaložit značné úsilí na definování obvodů s dostatečnou přesností pro simulaci tepelných cest.Na druhé straně se numerické metody zhruba dělí na výpočetní dynamiku tekutin (CFD) a strukturální termickou analýzu (STA), přičemž obě využívají analýzu konečných prvků (FEA).Výhodou numerické analýzy je, že umožňuje modelovat geometrii zařízení.Nastavení systému a výpočty však mohou být někdy obtížné.Níže diskutované vědecké články jsou vybranými příklady tepelné a elektromagnetické analýzy různých moderních indukčních motorů.Tyto články podnítily autory ke studiu tepelných jevů v asynchronních motorech a metod jejich chlazení.
Pil-Wan Han1 se zabýval tepelnou a elektromagnetickou analýzou MI.Pro termickou analýzu se používá metoda analýzy soustředěných obvodů a pro elektromagnetickou analýzu metoda časově proměnných magnetických konečných prvků.Aby byla správně zajištěna ochrana proti tepelnému přetížení v jakékoli průmyslové aplikaci, musí být spolehlivě odhadnuta teplota vinutí statoru.Ahmed et al.2 navrhli model tepelné sítě vyššího řádu založený na hlubokých tepelných a termodynamických úvahách.Vývoj metod tepelného modelování pro účely průmyslové tepelné ochrany těží z analytických řešení a zohlednění tepelných parametrů.
Nair et al.3 použili kombinovanou analýzu 39 kW IM a 3D numerickou tepelnou analýzu k předpovědi rozložení tepla v elektrickém stroji.Ying et al.4 analyzovali ventilátorem chlazené plně uzavřené (TEFC) IM s 3D odhadem teploty.Moon a kol.5 studoval vlastnosti tepelného toku IM TEFC pomocí CFD.Model přechodu motoru LPTN byl uveden Toddem et al.6.Experimentální údaje o teplotě jsou použity spolu s vypočtenými teplotami odvozenými z navrženého modelu LPTN.Peter et al.7 použili CFD ke studiu proudění vzduchu, které ovlivňuje tepelné chování elektromotorů.
Cabral et al8 navrhli jednoduchý tepelný model IM, ve kterém byla teplota stroje získána aplikací rovnice tepelné difúze válce.Nategh et al.9 studovali systém trakčního motoru s vlastním větráním pomocí CFD k testování přesnosti optimalizovaných komponent.Numerické a experimentální studie tak mohou být použity k simulaci tepelné analýzy indukčních motorů, viz obr.2.
Yinye et al.10 navrhli návrh pro zlepšení tepelného managementu využitím společných tepelných vlastností standardních materiálů a běžných zdrojů ztrát strojních součástí.Marco et al.11 představili kritéria pro navrhování chladicích systémů a vodních plášťů pro strojní součásti pomocí modelů CFD a LPTN.Yaohui et al.12 poskytují různé pokyny pro výběr vhodné metody chlazení a hodnocení výkonu v rané fázi procesu návrhu.Nell et al.13 navrhli použít modely pro sdruženou elektromagneticko-tepelnou simulaci pro daný rozsah hodnot, úroveň detailů a výpočetní výkon pro multifyzikální problém.Jean et al.14 a Kim et al.15 studovali rozložení teploty vzduchem chlazeného indukčního motoru pomocí 3D vázaného FEM pole.Vypočítejte vstupní data pomocí 3D analýzy pole vířivých proudů, abyste našli ztráty Joule a použili je pro tepelnou analýzu.
Michel a kol.16 porovnávali konvenční odstředivé chladicí ventilátory s axiálními ventilátory různých konstrukcí prostřednictvím simulací a experimentů.Jedna z těchto konstrukcí dosáhla malého, ale významného zlepšení účinnosti motoru při zachování stejné provozní teploty.
Lu et al.17 použili k odhadu ztrát železa na hřídeli indukčního motoru metodu ekvivalentního magnetického obvodu v kombinaci s Bogliettiho modelem.Autoři předpokládají, že rozložení hustoty magnetického toku v libovolném průřezu uvnitř vřetenového motoru je rovnoměrné.Svou metodu porovnali s výsledky analýzy metodou konečných prvků a experimentálních modelů.Tato metoda může být použita pro expresní analýzu MI, ale její přesnost je omezená.
18 představuje různé metody pro analýzu elektromagnetického pole lineárních indukčních motorů.Mezi nimi jsou popsány metody odhadu ztrát výkonu v jalových kolejích a metody predikce nárůstu teploty trakčních lineárních indukčních motorů.Tyto metody lze použít ke zlepšení účinnosti přeměny energie lineárních indukčních motorů.
Zabdur a kol.19 zkoumal výkon chladicích plášťů pomocí trojrozměrné numerické metody.Chladicí plášť využívá jako hlavní zdroj chladiva pro třífázový IM vodu, což je důležité pro výkon a maximální teploty potřebné pro čerpání.Rippel a kol.20 patentovali nový přístup k systémům chlazení kapalin nazývaný příčné vrstvené chlazení, ve kterém chladivo proudí příčně úzkými oblastmi tvořenými otvory ve vzájemné magnetické vrstvení.Deriszade a kol.21 experimentálně zkoumal chlazení trakčních motorů v automobilovém průmyslu pomocí směsi etylenglykolu a vody.Vyhodnoťte výkon různých směsí pomocí CFD a 3D analýzy turbulentních tekutin.Simulační studie Boopathy et al.22 ukázala, že teplotní rozsah pro vodou chlazené motory (17-124°C) je výrazně menší než pro vzduchem chlazené motory (104-250°C).Maximální teplota hliníkového vodou chlazeného motoru je snížena o 50,4 % a maximální teplota vodou chlazeného motoru PA6GF30 je snížena o 48,4 %.Bezukov et al.23 hodnotili vliv tvorby vodního kamene na tepelnou vodivost stěny motoru se systémem kapalinového chlazení.Studie ukázaly, že 1,5 mm silný oxidový film snižuje přenos tepla o 30 %, zvyšuje spotřebu paliva a snižuje výkon motoru.
Tanguy et al.24 provedli experimenty s různými průtoky, teplotami oleje, otáčkami a režimy vstřikování pro elektromotory s použitím mazacího oleje jako chladicí kapaliny.Mezi průtokem a celkovou účinností chlazení byl vytvořen silný vztah.Ha et al.25 navrhli použít kapací trysky jako trysky pro rovnoměrné rozložení olejového filmu a maximalizaci účinnosti chlazení motoru.
Nandi et al.26 analyzovali vliv plochých tepelných trubic ve tvaru L na výkon motoru a tepelné řízení.Část výparníku s tepelnou trubicí je instalována ve skříni motoru nebo pohřbena v hřídeli motoru a část kondenzátoru je instalována a chlazena cirkulující kapalinou nebo vzduchem.Bellettre a kol.27 studoval PCM systém chlazení pevná látka-kapalina pro přechodový stator motoru.PCM impregnuje hlavy vinutí a snižuje teplotu horkého místa uložením latentní tepelné energie.
Výkon motoru a teplota jsou tedy hodnoceny pomocí různých strategií chlazení, viz obr.3. Tyto chladicí okruhy jsou určeny k řízení teploty vinutí, desek, hlav vinutí, magnetů, kostry a koncových desek.
Kapalinové chladicí systémy jsou známé svým účinným přenosem tepla.Čerpání chladicí kapaliny kolem motoru však spotřebovává mnoho energie, což snižuje efektivní výkon motoru.Na druhé straně systémy chlazení vzduchem jsou široce používanou metodou kvůli jejich nízké ceně a snadnému upgradu.Je však stále méně účinný než kapalinové chladicí systémy.Je zapotřebí integrovaný přístup, který dokáže kombinovat vysoký výkon přenosu tepla kapalinou chlazeného systému s nízkými náklady na vzduchem chlazený systém bez spotřeby další energie.
Tento článek uvádí a analyzuje tepelné ztráty v AD.Mechanismus tohoto problému, stejně jako zahřívání a chlazení indukčních motorů, je vysvětlen v části Tepelné ztráty u indukčních motorů v části Strategie chlazení.Tepelná ztráta jádra indukčního motoru se přeměňuje na teplo.Proto tento článek pojednává o mechanismu přenosu tepla uvnitř motoru vedením a nucenou konvekcí.Je popsáno tepelné modelování IM pomocí rovnic kontinuity, rovnic Navier-Stokes/hybnost a energetických rovnic.Výzkumníci provedli analytické a numerické tepelné studie IM, aby odhadli teplotu vinutí statoru pouze za účelem řízení tepelného režimu elektromotoru.Tento článek se zaměřuje na tepelnou analýzu vzduchem chlazených IM a tepelnou analýzu integrovaných vzduchem chlazených a vodou chlazených IM pomocí CAD modelování a simulace ANSYS Fluent.A tepelné výhody integrovaného vylepšeného modelu vzduchem chlazených a vodou chlazených systémů jsou hluboce analyzovány.Jak již bylo zmíněno výše, zde uvedené dokumenty nejsou souhrnem stavu techniky v oblasti tepelných jevů a chlazení indukčních motorů, ale naznačují mnoho problémů, které je třeba vyřešit, aby byl zajištěn spolehlivý provoz asynchronních motorů. .
Tepelné ztráty se obvykle dělí na ztráty mědi, ztráty železa a ztráty třením/mechanické ztráty.
Ztráty mědi jsou výsledkem Jouleova ohřevu v důsledku měrného odporu vodiče a lze je kvantifikovat jako 10,28:
kde qg je generované teplo, I a Ve jsou jmenovitý proud a napětí a Re je odpor mědi.
Ztráta železa, známá také jako parazitní ztráta, je druhým hlavním typem ztráty, která způsobuje hysterezi a ztráty vířivými proudy v AM, způsobené hlavně časově proměnným magnetickým polem.Jsou kvantifikovány rozšířenou Steinmetzovou rovnicí, jejíž koeficienty lze považovat za konstantní nebo proměnné v závislosti na provozních podmínkách10,28,29.
kde Khn je hysterezní ztrátový činitel odvozený z diagramu ztrát jádra, Ken je ztrátový činitel vířivých proudů, N je harmonický index, Bn af jsou špičková hustota toku a frekvence nesinusového buzení.Výše uvedená rovnice může být dále zjednodušena takto10,29:
Mezi nimi K1 a K2 jsou činitel ztráty jádra a ztráta vířivými proudy (qec), ztráta hystereze (qh) a ztráta nadměrného proudu (qex).
Zatížení větrem a ztráty třením jsou dvě hlavní příčiny mechanických ztrát v IM.Ztráty větrem a třením jsou 10,
Ve vzorci je n rychlost otáčení, Kfb je koeficient ztrát třením, D je vnější průměr rotoru, l je délka rotoru, G je hmotnost rotoru 10.
Primárním mechanismem přenosu tepla v motoru je vedení a vnitřní ohřev, jak je určeno Poissonovou rovnicí30 aplikovanou na tento příklad:
Během provozu, po určitém okamžiku, kdy motor dosáhne ustáleného stavu, lze generované teplo aproximovat konstantním ohřevem povrchového tepelného toku.Lze tedy předpokládat, že vedení uvnitř motoru se provádí s uvolňováním vnitřního tepla.
Přenos tepla mezi žebry a okolní atmosférou se považuje za nucenou konvekci, kdy je tekutina nucena pohybovat se v určitém směru vnější silou.Konvekci lze vyjádřit jako 30:
kde h je součinitel prostupu tepla (W/m2 K), A je povrchová plocha a ΔT je teplotní rozdíl mezi teplosměnným povrchem a chladivem kolmým k povrchu.Nusseltovo číslo (Nu) je mírou poměru konvekčního a konduktivního přenosu tepla kolmo k hranici a je voleno na základě charakteristik laminárního a turbulentního proudění.Podle empirické metody je Nusseltovo číslo turbulentního proudění obvykle spojeno s Reynoldsovým číslem a Prandtlovým číslem vyjádřeným jako 30:
kde h je součinitel prostupu tepla konvekcí (W/m2 K), l je charakteristická délka, λ je tepelná vodivost kapaliny (W/m K) a Prandtlovo číslo (Pr) je mírou poměru koeficient difúze hybnosti k tepelné difuzivitě (neboli rychlost a relativní tloušťka tepelné mezní vrstvy), definovaný jako 30:
kde k a cp jsou tepelná vodivost a měrná tepelná kapacita kapaliny.Obecně platí, že vzduch a voda jsou nejběžnější chladicí kapaliny pro elektromotory.Kapalné vlastnosti vzduchu a vody při okolní teplotě jsou uvedeny v tabulce 1.
Tepelné modelování IM je založeno na následujících předpokladech: 3D ustálený stav, turbulentní proudění, vzduch je ideální plyn, zanedbatelné záření, newtonovská tekutina, nestlačitelná tekutina, bezskluzový stav a konstantní vlastnosti.Pro splnění zákonů zachování hmoty, hybnosti a energie v kapalinové oblasti jsou proto použity následující rovnice.
V obecném případě je rovnice zachování hmoty rovna čistému hmotnostnímu toku do buňky s kapalinou, určenému podle vzorce:
Podle druhého Newtonova zákona je rychlost změny hybnosti kapalné částice rovna součtu sil, které na ni působí, a obecnou rovnici zachování hybnosti lze zapsat ve vektorové podobě jako:
Pojmy ∇p, ∇∙τij a ρg ve výše uvedené rovnici představují tlak, viskozitu a gravitaci.Chladicí média (vzduch, voda, olej atd.) používaná jako chladicí kapaliny ve strojích jsou obecně považována za newtonovská.Zde zobrazené rovnice zahrnují pouze lineární vztah mezi smykovým napětím a gradientem rychlosti (rychlost deformace) kolmý ke směru smyku.S ohledem na konstantní viskozitu a ustálený průtok lze rovnici (12) změnit na 31:
Podle prvního zákona termodynamiky je rychlost změny energie kapalné částice rovna součtu čistého tepla generovaného kapalnou částicí a čistého výkonu produkovaného kapalnou částicí.Pro newtonovský stlačitelný viskózní tok lze rovnici zachování energie vyjádřit jako31:
kde Cp je tepelná kapacita při konstantním tlaku a člen ∇ ∙ (k∇T) souvisí s tepelnou vodivostí přes rozhraní kapalné buňky, kde k označuje tepelnou vodivost.Přeměna mechanické energie na teplo je uvažována z hlediska \(\varnothing\) (tj. funkce viskózní disipace) a je definována jako:
Kde \(\rho\) je hustota kapaliny, \(\mu\) je viskozita kapaliny, u, v a w jsou potenciál směru x, y, z rychlosti kapaliny.Tento termín popisuje přeměnu mechanické energie na tepelnou a může být ignorován, protože je důležitý pouze tehdy, když je viskozita kapaliny velmi vysoká a rychlostní gradient kapaliny je velmi velký.V případě ustáleného proudění, konstantního měrného tepla a tepelné vodivosti je energetická rovnice upravena takto:
Tyto základní rovnice jsou řešeny pro laminární proudění v kartézském souřadnicovém systému.Stejně jako mnoho jiných technických problémů je však provoz elektrických strojů spojen především s turbulentním prouděním.Proto jsou tyto rovnice upraveny tak, aby vytvořily průměrovací metodu Reynolds Navier-Stokes (RANS) pro modelování turbulence.
V této práci byl zvolen program ANSYS FLUENT 2021 pro CFD modelování s odpovídajícími okrajovými podmínkami, jako je uvažovaný model: asynchronní motor se vzduchovým chlazením o výkonu 100 kW, průměr rotoru 80,80 mm, průměr statoru 83,56 mm (vnitřní) a 190 mm (vnější), vzduchová mezera 1,38 mm, celková délka 234 mm, množství , tloušťka žeber 3 mm..
Model vzduchem chlazeného motoru SolidWorks je poté importován do ANSYS Fluent a simulován.Získané výsledky jsou navíc kontrolovány, aby byla zajištěna přesnost provedené simulace.Kromě toho byl pomocí softwaru SolidWorks 2017 modelován integrovaný vzduchem a vodou chlazený IM a simulován pomocí softwaru ANSYS Fluent 2021 (obrázek 4).
Design a rozměry tohoto modelu jsou inspirovány hliníkovou řadou Siemens 1LA9 a modelovány v SolidWorks 2017. Model byl mírně upraven tak, aby vyhovoval potřebám simulačního softwaru.Při modelování pomocí ANSYS Workbench 2021 upravte modely CAD odstraněním nežádoucích součástí, odstraněním zaoblení, zkosení a dalších.
Designovou novinkou je vodní plášť, jehož délka byla určena z výsledků simulace prvního modelu.V simulaci vodní bundy byly provedeny některé změny, aby bylo dosaženo nejlepších výsledků při použití pasu v ANSYS.Různé části IM jsou znázorněny na Obr.5a–f.
(A).Jádro rotoru a IM hřídel.(b) jádro statoru IM.(c) vinutí statoru IM.(d) Vnější rám MI.e) vodní plášť IM.f) kombinace vzduchem a vodou chlazených modelů IM.
Hřídelový ventilátor zajišťuje konstantní proudění vzduchu 10 m/s a teplotu 30 °C na povrchu žeber.Hodnota frekvence je zvolena náhodně v závislosti na kapacitě krevního tlaku analyzované v tomto článku, která je větší, než je uvedeno v literatuře.Horká zóna zahrnuje rotor, stator, vinutí statoru a tyče rotorové klece.Materiály statoru a rotoru jsou ocel, vinutí a tyče klece jsou měděné, rám a žebra jsou hliníková.Teplo generované v těchto oblastech je způsobeno elektromagnetickými jevy, jako je Jouleovo zahřívání, když vnější proud prochází měděnou cívkou, a také změny magnetického pole.Rychlosti uvolňování tepla různých složek byly převzaty z různé dostupné literatury pro 100 kW IM.
Integrované vzduchem chlazené a vodou chlazené IM kromě výše uvedených podmínek obsahovaly také vodní plášť, ve kterém byly analyzovány schopnosti přenosu tepla a požadavky na výkon čerpadla pro různé průtoky vody (5 l/min, 10 l/min. a 15 l/min).Tento ventil byl zvolen jako minimální ventil, protože výsledky se významně nezměnily pro průtoky pod 5 l/min.Kromě toho byl jako maximální hodnota zvolen průtok 15 l/min, protože čerpací výkon se výrazně zvýšil i přes skutečnost, že teplota stále klesala.
Různé modely IM byly importovány do ANSYS Fluent a dále upravovány pomocí ANSYS Design Modeler.Dále byla kolem AD postavena skříň ve tvaru skříně o rozměrech 0,3 × 0,3 × 0,5 m pro analýzu pohybu vzduchu kolem motoru a studium odvodu tepla do atmosféry.Podobné analýzy byly provedeny pro integrované vzduchem a vodou chlazené IM.
Model IM je modelován pomocí numerických metod CFD a MKP.Sítě jsou zabudovány v CFD k rozdělení domény na určitý počet komponent za účelem nalezení řešení.Tetraedrické sítě s vhodnými velikostmi prvků se používají pro obecnou komplexní geometrii součástí motoru.Všechna rozhraní byla vyplněna 10 vrstvami pro získání přesných výsledků povrchového přenosu tepla.Geometrie mřížky dvou modelů MI je znázorněna na Obr.6a, b.
Energetická rovnice umožňuje studovat přenos tepla v různých oblastech motoru.K modelování turbulence kolem vnějšího povrchu byl zvolen model turbulence K-epsilon se standardními stěnovými funkcemi.Model bere v úvahu kinetickou energii (Ek) a turbulentní disipaci (epsilon).Měď, hliník, ocel, vzduch a voda byly vybrány pro své standardní vlastnosti pro použití v příslušných aplikacích.Rychlosti rozptylu tepla (viz tabulka 2) jsou uvedeny jako vstupy a různé podmínky zóny baterie jsou nastaveny na 15, 17, 28, 32. Rychlost vzduchu nad skříní motoru byla nastavena na 10 m/s pro oba modely motoru a v Kromě toho byly pro vodní plášť vzaty v úvahu tři různé rychlosti vody (5 l/min, 10 l/min a 15 l/min).Pro větší přesnost byly rezidua pro všechny rovnice nastaveny na hodnotu 1 × 10–6.Vyberte algoritmus SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Equations) pro řešení rovnic Navier Prime (NS).Po dokončení hybridní inicializace proběhne nastavení 500 iterací, jak je znázorněno na obrázku 7.
Čas odeslání: 24. července 2023