Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).У међувремену, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Због оперативних трошкова и дуговечности мотора, правилна стратегија управљања топлотом мотора је изузетно важна.Овај чланак је развио стратегију термичког управљања за индукционе моторе како би се обезбедила боља издржљивост и побољшала ефикасност.Поред тога, извршен је опсежан преглед литературе о методама хлађења мотора.Као главни резултат дат је термички прорачун ваздушно хлађеног асинхроног мотора велике снаге, узимајући у обзир познати проблем дистрибуције топлоте.Поред тога, ова студија предлаже интегрисани приступ са две или више стратегија хлађења како би се задовољиле тренутне потребе.Нумеричка студија модела ваздушно хлађеног асинхроног мотора од 100 кВ и побољшаног модела термичког управљања истог мотора, где је значајно повећање ефикасности мотора постигнуто комбинацијом ваздушног хлађења и интегрисаног система воденог хлађења, је извршена. спроведена.Интегрисани систем са ваздушним и воденим хлађењем је проучаван коришћењем СолидВоркс 2017 и АНСИС Флуент 2021 верзија.Три различита протока воде (5 Л/мин, 10 Л/мин и 15 Л/мин) су анализирана у односу на конвенционалне индукционе моторе са ваздушним хлађењем и верификована коришћењем доступних објављених ресурса.Анализа показује да смо за различите брзине протока (5 Л/мин, 10 Л/мин и 15 Л/мин респективно) добили одговарајуће смањење температуре од 2,94%, 4,79% и 7,69%.Према томе, резултати показују да уграђени индукциони мотор може ефикасно да смањи температуру у поређењу са индукционим мотором са ваздушним хлађењем.
Електромотор је један од кључних проналазака савремене инжењерске науке.Електромотори се користе у свему, од кућних апарата до возила, укључујући аутомобилску и ваздухопловну индустрију.Последњих година популарност индукционих мотора (АМ) је порасла због њиховог високог стартног момента, добре контроле брзине и умереног капацитета преоптерећења (слика 1).Индукциони мотори не само да чине да ваше сијалице сијају, већ напајају већину уређаја у вашем дому, од ваше четкице за зубе до вашег Тесле.Механичка енергија у ИМ настаје контактом магнетног поља намотаја статора и ротора.Поред тога, ИМ је одржива опција због ограничене понуде метала ретких земаља.Међутим, главни недостатак АД је тај што су њихов век трајања и ефикасност веома осетљиви на температуру.Индукциони мотори троше око 40% светске електричне енергије, што би требало да нас наведе на помисао да је управљање потрошњом енергије ових машина критично.
Арренијусова једначина каже да се за сваких 10°Ц пораста радне температуре живот целог мотора преполови.Због тога, да би се осигурала поузданост и повећала продуктивност машине, потребно је обратити пажњу на термичку контролу крвног притиска.У прошлости је термичка анализа била занемарена и дизајнери мотора су разматрали проблем само на периферији, на основу искуства у пројектовању или других димензионалних варијабли као што је густина струје намотаја, итд. Ови приступи доводе до примене великих безбедносних маргина за најгоре- услове загревања кућишта, што резултира повећањем величине машине и самим тим повећањем трошкова.
Постоје две врсте термичке анализе: паушална анализа кола и нумеричке методе.Главна предност аналитичких метода је могућност брзог и прецизног извођења прорачуна.Међутим, мора се уложити значајан напор да се дефинишу кола са довољном тачношћу за симулацију термичких путања.С друге стране, нумеричке методе су грубо подељене на рачунарску динамику флуида (ЦФД) и структурну термичку анализу (СТА), од којих обе користе анализу коначних елемената (ФЕА).Предност нумеричке анализе је у томе што вам омогућава моделирање геометрије уређаја.Међутим, подешавање система и прорачуни понекад могу бити тешки.Научни чланци о којима се говори у наставку су одабрани примери термичке и електромагнетне анализе различитих савремених асинхроних мотора.Ови чланци су подстакли ауторе да проучавају термичке појаве у асинхроним моторима и методе за њихово хлађење.
Пил-Ван Хан1 се бавио термичком и електромагнетном анализом МИ.За термичку анализу се користи метода анализе паушираних кола, а за електромагнетну анализу временски променљива метода магнетних коначних елемената.Да би се правилно обезбедила заштита од топлотног преоптерећења у било којој индустријској примени, температура намотаја статора мора бити поуздано процењена.Ахмед ет ал.2 су предложили модел топлотне мреже вишег реда заснован на дубоким термалним и термодинамичким разматрањима.Развој метода термичког моделирања за потребе индустријске термичке заштите има користи од аналитичких решења и разматрања термичких параметара.
Наир ет ал.3 користили су комбиновану анализу ИМ од 39 кВ и 3Д нумеричку термичку анализу да предвиде топлотну дистрибуцију у електричној машини.Иинг ет ал.4 анализирали су потпуно затворене (ТЕФЦ) ИМ хлађене вентилатором са 3Д проценом температуре.Моон ет ал.5 проучавала су својства топлотног тока ИМ ТЕФЦ користећи ЦФД.Модел ЛПТН моторне транзиције дали су Тодд ет ал.6.Експериментални подаци о температури се користе заједно са израчунатим температурама изведеним из предложеног ЛПТН модела.Петер и сарадници 7 су користили ЦФД за проучавање протока ваздуха који утиче на термичко понашање електромотора.
Цабрал и сарадници8 су предложили једноставан ИМ термички модел у коме је температура машине добијена применом једначине дифузије топлоте цилиндра.Натегх и сарадници 9 су проучавали самовентилирани вучни моторни систем користећи ЦФД да би тестирали тачност оптимизованих компоненти.Тако се нумеричке и експерименталне студије могу користити за симулацију термичке анализе асинхроних мотора, види сл.2.
Ииние и сарадници10 су предложили дизајн за побољшање управљања топлотом искоришћавањем заједничких термичких својстава стандардних материјала и уобичајених извора губитка машинских делова.Марцо ет ал.11 представили су критеријуме за пројектовање система за хлађење и водених кошуљица за компоненте машина коришћењем ЦФД и ЛПТН модела.Иаохуи ет ал.12 пружају различите смернице за избор одговарајуће методе хлађења и процену перформанси у раној фази процеса пројектовања.Нелл ет ал.13 су предложили да се користе модели за спрегнуту електромагнетско-термалну симулацију за дати опсег вредности, ниво детаља и рачунарску снагу за мултифизички проблем.Јеан ет ал.14 и Ким ет ал.15 проучавали су дистрибуцију температуре ваздушно хлађеног индукционог мотора користећи 3Д спрегнуто ФЕМ поље.Израчунајте улазне податке користећи 3Д анализу поља вртложна струја да бисте пронашли џулове губитке и искористили их за термичку анализу.
Мицхел ет ал.16 упоредили су конвенционалне центрифугалне вентилаторе за хлађење са аксијалним вентилаторима различитих дизајна кроз симулације и експерименте.Један од ових дизајна је постигао мала, али значајна побољшања ефикасности мотора уз одржавање исте радне температуре.
Лу и сар.17 користили су метод еквивалентног магнетног кола у комбинацији са Боглијетијевим моделом да би проценили губитке гвожђа на осовини индукционог мотора.Аутори претпостављају да је расподела густине магнетног флукса у било ком попречном пресеку унутар мотора вретена равномерна.Они су свој метод упоредили са резултатима анализе коначних елемената и експерименталним моделима.Овај метод се може користити за експресну анализу МИ, али је његова тачност ограничена.
18 представљене су различите методе за анализу електромагнетног поља линеарних асинхроних мотора.Међу њима су описане методе за процену губитака снаге у реактивним шинама и методе за предвиђање пораста температуре вучних линеарних асинхроних мотора.Ове методе се могу користити за побољшање ефикасности конверзије енергије линеарних индукционих мотора.
Забдур и др.19 је истраживао перформансе расхладних омотача коришћењем тродимензионалне нумеричке методе.Расхладни плашт користи воду као главни извор расхладне течности за трофазни ИМ, што је важно за снагу и максималне температуре потребне за пумпање.Риппел ет ал.20 су патентирали нови приступ системима течног хлађења који се назива попречно ламинирано хлађење, у којем расхладно средство тече попречно кроз уске области формиране рупама у магнетној ламинацији једне друге.Дерисзаде и др.21 експериментално је истраживао хлађење вучних мотора у аутомобилској индустрији коришћењем мешавине етилен гликола и воде.Процените перформансе различитих смеша помоћу ЦФД и 3Д анализе турбулентног флуида.Симулационо истраживање које су спровели Боопатхи ет ал.22 показало је да је температурни опсег за моторе са воденим хлађењем (17-124°Ц) знатно мањи него за моторе са ваздушним хлађењем (104-250°Ц).Максимална температура алуминијумског водено хлађеног мотора је смањена за 50,4%, а максимална температура водено хлађеног мотора ПА6ГФ30 смањена је за 48,4%.Безуков и сар.23 проценили су ефекат формирања каменца на топлотну проводљивост зида мотора са течним системом хлађења.Студије су показале да оксидни филм дебљине 1,5 мм смањује пренос топлоте за 30%, повећава потрошњу горива и смањује снагу мотора.
Тангуи ет ал.24 су спровели експерименте са различитим брзинама протока, температурама уља, брзинама ротације и режимима убризгавања за електричне моторе користећи уље за подмазивање као расхладно средство.Успостављена је јака веза између брзине протока и укупне ефикасности хлађења.Ха ет ал.25 су предложили употребу млазница за капање као млазница за равномерну дистрибуцију уљног филма и максимизирање ефикасности хлађења мотора.
Нанди ет ал.26 анализирали су ефекат равних топлотних цеви у облику слова Л на перформансе мотора и управљање топлотом.Део испаривача топлотне цеви је уграђен у кућиште мотора или закопан у осовину мотора, а део кондензатора се инсталира и хлади циркулишућом течношћу или ваздухом.Беллеттре и др.27 је проучавао ПЦМ систем за хлађење чврста-течност за пролазни статор мотора.ПЦМ импрегнира главе намотаја, снижавајући температуру вруће тачке складиштењем латентне топлотне енергије.
Дакле, перформансе мотора и температура се процењују коришћењем различитих стратегија хлађења, види сл.3. Ови расхладни кругови су дизајнирани да контролишу температуру намотаја, плоча, глава за намотаје, магнета, трупа и завршних плоча.
Системи за хлађење течности су познати по ефикасном преносу топлоте.Међутим, пумпање расхладне течности око мотора троши много енергије, што смањује ефективну излазну снагу мотора.Системи ваздушног хлађења, с друге стране, су широко коришћени метод због ниске цене и лакоће надоградње.Међутим, и даље је мање ефикасан од система за течно хлађење.Потребан је интегрисани приступ који може комбиновати високе перформансе преноса топлоте система са течним хлађењем са ниским трошковима система са ваздушним хлађењем без трошења додатне енергије.
Овај чланак наводи и анализира губитке топлоте у АД.Механизам овог проблема, као и загревање и хлађење асинхроних мотора, објашњен је у одељку Губитак топлоте у индукционим моторима кроз Стратегије хлађења.Губитак топлоте језгра индукционог мотора претвара се у топлоту.Стога се у овом чланку говори о механизму преноса топлоте унутар мотора проводљивошћу и принудном конвекцијом.Извештава се о термичком моделовању ИМ коришћењем једначина континуитета, Навиер-Стокес/моментума једначина и енергетских једначина.Истраживачи су извршили аналитичке и нумеричке термичке студије ИМ да би проценили температуру намотаја статора искључиво у сврху контроле термичког режима електромотора.Овај чланак се фокусира на термичку анализу ваздушно хлађених ИМ и термичку анализу интегрисаних ваздушно хлађених и водено хлађених ИМ користећи ЦАД моделирање и АНСИС Флуент симулацију.А топлотне предности интегрисаног побољшаног модела ваздушно хлађених и водено хлађених система су дубоко анализиране.Као што је горе поменуто, овде наведени документи нису сажетак стања технике у области термичких појава и хлађења индукционих мотора, али указују на многе проблеме које је потребно решити како би се обезбедио поуздан рад индукционих мотора. .
Губитак топлоте се обично дели на губитак бакра, губитак гвожђа и губитак на трење/механички губитак.
Губици бакра су резултат џулова загревања због отпорности проводника и могу се квантификовати као 10,28:
где је кг произведена топлота, И и Ве су називна струја и напон, респективно, а Ре је отпор бакра.
Губитак гвожђа, такође познат као паразитски губитак, је други главни тип губитка који узрокује хистерезу и губитке на вртложне струје у АМ, углавном узроковане временски променљивим магнетним пољем.Они су квантификовани проширеном Штајнмецовом једначином, чији се коефицијенти могу сматрати константним или променљивим у зависности од услова рада10,28,29.
где је Кхн фактор губитка хистерезе изведен из дијаграма губитака у језгру, Кен је фактор губитка на вртложне струје, Н је индекс хармоника, Бн и ф су вршна густина флукса и фреквенција несинусоидне побуде, респективно.Горња једначина се може даље поједноставити на следећи начин10,29:
Међу њима, К1 и К2 су фактор губитка у језгру и губитак на вртложне струје (кец), губитак хистерезе (кх) и вишак губитка (кек), респективно.
Оптерећење ветром и губици трења су два главна узрока механичких губитака у ИМ.Губици ветра и трења су 10,
У формули, н је брзина ротације, Кфб је коефицијент губитака због трења, Д је спољни пречник ротора, л је дужина ротора, Г је тежина ротора 10.
Примарни механизам за пренос топлоте унутар мотора је путем проводљивости и унутрашњег грејања, као што је одређено Поиссоновом једначином30 примењеном на овај пример:
Током рада, након одређеног времена када мотор достигне стабилно стање, произведена топлота се може апроксимирати константним загревањем површинског топлотног флукса.Стога се може претпоставити да се провођење унутар мотора одвија уз ослобађање унутрашње топлоте.
Пренос топлоте између ребара и околне атмосфере сматра се присилном конвекцијом, када је течност принуђена да се креће у одређеном правцу спољном силом.Конвекција се може изразити као 30:
где је х коефицијент пролаза топлоте (В/м2 К), А је површина, а ΔТ је температурна разлика између површине преноса топлоте и расхладног средства управно на површину.Нуселтов број (Ну) је мера односа конвективног и проводног преноса топлоте окомито на границу и бира се на основу карактеристика ламинарног и турбулентног струјања.Према емпиријској методи, Нуселтов број турбулентног струјања се обично повезује са Рејнолдсовим бројем и Прандтловим бројем, израженим као 30:
где је х коефицијент конвективног преноса топлоте (В/м2 К), л је карактеристична дужина, λ је топлотна проводљивост флуида (В/м К), а Прандтлов број (Пр) је мера односа коефицијент дифузије импулса на топлотну дифузивност (или брзину и релативну дебљину топлотног граничног слоја), дефинисан као 30:
где су к и цп топлотна проводљивост и специфични топлотни капацитет течности, респективно.Генерално, ваздух и вода су најчешће расхладне течности за електричне моторе.Својства течности ваздуха и воде на температури околине приказана су у табели 1.
ИМ термичко моделирање се заснива на следећим претпоставкама: 3Д устаљено стање, турбулентно струјање, ваздух је идеалан гас, занемарљиво зрачење, Њутнов флуид, нестишљив флуид, стање без клизања и константна својства.Због тога се следеће једначине користе за испуњавање закона одржања масе, импулса и енергије у течном региону.
У општем случају, једначина очувања масе једнака је нето протоку масе у ћелију са течношћу, одређен формулом:
Према другом Њутновом закону, брзина промене импулса честице течности једнака је збиру сила које на њу делују, а општа једначина одржања импулса може се написати у векторском облику као:
Термини ∇п, ∇∙τиј и ρг у горњој једначини представљају притисак, вискозитет и гравитацију, респективно.Расхладни медији (ваздух, вода, уље, итд.) који се користе као расхладне течности у машинама се генерално сматрају Њутновским.Овде приказане једначине укључују само линеарну везу између напона на смицање и градијента брзине (брзине деформације) управно на смер смицања.Узимајући у обзир константан вискозитет и стабилан проток, једначина (12) се може променити у 31:
Према првом закону термодинамике, брзина промене енергије течне честице једнака је збиру нето топлоте коју генерише честица течности и нето снаге коју производи честица течности.За Њутнов компресибилни вискозни ток, једначина очувања енергије може се изразити као31:
где је Цп топлотни капацитет при константном притиску, а термин ∇ ∙ (к∇Т) се односи на топлотну проводљивост кроз границу течне ћелије, где к означава топлотну проводљивост.Конверзија механичке енергије у топлоту се разматра у терминима \(\варнотхинг\) (тј., функција вискозне дисипације) и дефинисана је као:
Где је \(\рхо\) густина течности, \(\му\) је вискозитет течности, у, в и в су потенцијал правца к, и, з брзине течности, респективно.Овај термин описује претварање механичке енергије у топлотну енергију и може се занемарити јер је важан само када је вискозитет течности веома висок и градијент брзине течности веома велики.У случају сталног протока, константне специфичне топлоте и топлотне проводљивости, једначина енергије се модификује на следећи начин:
Ове основне једначине су решене за ламинарни ток у Декартовом координатном систему.Међутим, као и многи други технички проблеми, рад електричних машина је првенствено повезан са турбулентним струјањима.Стога су ове једначине модификоване да формирају Реинолдс Навиер-Стокес (РАНС) метод усредњавања за моделирање турбуленције.
У овом раду изабран је програм АНСИС ФЛУЕНТ 2021 за ЦФД моделовање са одговарајућим граничним условима, као што је модел који се разматра: асинхрони мотор са ваздушним хлађењем капацитета 100 кВ, пречник ротора 80,80 мм, пречник статора 83,56 мм (унутрашњи) и 190 мм (спољни), ваздушни зазор 1,38 мм, укупна дужина 234 мм, количина , дебљина ребара 3 мм..
Модел мотора са ваздушним хлађењем СолидВоркс се затим увози у АНСИС Флуент и симулира.Поред тога, добијени резултати се проверавају како би се осигурала тачност извршене симулације.Поред тога, интегрисани ваздушно и водено хлађени ИМ је моделован коришћењем софтвера СолидВоркс 2017 и симулиран коришћењем софтвера АНСИС Флуент 2021 (Слика 4).
Дизајн и димензије овог модела су инспирисани алуминијумском серијом Сиеменс 1ЛА9 и моделовани у СолидВоркс 2017. Модел је мало модификован да би одговарао потребама софтвера за симулацију.Модификујте ЦАД моделе тако што ћете уклонити нежељене делове, уклонити ивице, ивице и још много тога када моделујете помоћу АНСИС Воркбенцх 2021.
Дизајнерска иновација је водени плашт, чија је дужина одређена на основу резултата симулације првог модела.Неке измене су направљене у симулацији воденог плашта да би се постигли најбољи резултати када се користи струк у АНСИС-у.Различити делови ИМ приказани су на сл.5а–ф.
(А).Језгро ротора и ИМ вратило.(б) ИМ језгро статора.(ц) ИМ намотај статора.(д) Спољни оквир МИ.(е) ИМ водени омотач.ф) комбинација ИМ модела са ваздушним и воденим хлађењем.
Вентилатор са осовином обезбеђује константан проток ваздуха од 10 м/с и температуру од 30 °Ц на површини ребара.Вредност стопе се бира насумично у зависности од капацитета крвног притиска анализираног у овом чланку, који је већи од оног назначеног у литератури.Врућа зона укључује ротор, статор, намотаје статора и шипке кавеза ротора.Материјали статора и ротора су челик, намотаји и кавезне шипке су бакар, оквир и ребра су алуминијум.Топлота која се ствара у овим областима је последица електромагнетних појава, као што је џулов загревање када се спољашња струја пропушта кроз бакарни калем, као и промене у магнетном пољу.Брзине ослобађања топлоте различитих компоненти су узете из различите литературе доступне за ИМ од 100 кВ.
Интегрисани ваздушно хлађени и водено хлађени ИМ, поред горе наведених услова, укључују и водени омотач, у којем су анализиране могућности преноса топлоте и захтеви за снагом пумпе за различите брзине протока воде (5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин).Овај вентил је изабран као минимални вентил, пошто се резултати нису значајно променили за протоке испод 5 Л/мин.Поред тога, као максимална вредност изабрана је брзина протока од 15 Л/мин, пошто је снага пумпања значајно порасла упркос чињеници да је температура наставила да пада.
Различити ИМ модели су увезени у АНСИС Флуент и даље уређивани помоћу АНСИС Десигн Моделер-а.Даље, око АД је изграђено кућиште у облику кутије димензија 0,3 × 0,3 × 0,5 м да би се анализирало кретање ваздуха око мотора и проучавало одвођење топлоте у атмосферу.Сличне анализе су обављене за интегрисане ваздушно и водено хлађене ИМ.
ИМ модел је моделован коришћењем ЦФД и ФЕМ нумеричких метода.Мреже су уграђене у ЦФД да би поделиле домен на одређени број компоненти како би се пронашло решење.Тетраедарске мреже са одговарајућим величинама елемената користе се за општу сложену геометрију компоненти мотора.Сви интерфејси су испуњени са 10 слојева да би се добили тачни резултати површинског преноса топлоте.Геометрија мреже два МИ модела је приказана на Сл.6а, б.
Енергетска једначина вам омогућава да проучавате пренос топлоте у различитим областима мотора.К-епсилон модел турбуленције са стандардним функцијама зида изабран је за моделирање турбуленције око спољне површине.Модел узима у обзир кинетичку енергију (Ек) и турбулентну дисипацију (епсилон).Бакар, алуминијум, челик, ваздух и вода су одабрани због својих стандардних својстава за употребу у одговарајућим применама.Стопе дисипације топлоте (погледајте табелу 2) су дате као улазни подаци, а различити услови зоне батерије су подешени на 15, 17, 28, 32. Брзина ваздуха изнад кућишта мотора је подешена на 10 м/с за оба модела мотора, а у Поред тога, узете су у обзир три различите количине воде за водени омотач (5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин).За већу тачност, резидуали за све једначине су постављени на 1 × 10–6.Изаберите алгоритам СИМПЛЕ (Семи-имплицит Метход фор Прессуре Екуатионс) да бисте решили Навиер Приме (НС) једначине.Након што је хибридна иницијализација завршена, подешавање ће покренути 500 итерација, као што је приказано на слици 7.
Време поста: 24. јул 2023