Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I mellomtiden, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
På grunn av driftskostnadene og levetiden til motoren, er en riktig strategi for termisk styring av motoren ekstremt viktig.Denne artikkelen har utviklet en termisk styringsstrategi for induksjonsmotorer for å gi bedre holdbarhet og forbedre effektiviteten.I tillegg ble det utført en omfattende gjennomgang av litteraturen om motorkjølingsmetoder.Som hovedresultat er det gitt en termisk beregning av en luftkjølt asynkronmotor med høy effekt, under hensyntagen til det velkjente problemet med varmefordeling.I tillegg foreslår denne studien en integrert tilnærming med to eller flere kjølestrategier for å møte dagens behov.En numerisk studie av en modell av en 100 kW luftkjølt asynkronmotor og en forbedret termisk styringsmodell av samme motor, hvor en betydelig økning i motoreffektivitet oppnås gjennom en kombinasjon av luftkjøling og et integrert vannkjølingssystem, er blitt utført. utført.Et integrert luftkjølt og vannkjølt system ble studert ved bruk av SolidWorks 2017 og ANSYS Fluent 2021 versjoner.Tre forskjellige vannstrømmer (5 l/min, 10 l/min og 15 l/min) ble analysert mot konvensjonelle luftkjølte induksjonsmotorer og verifisert med tilgjengelige publiserte ressurser.Analysen viser at for ulike strømningshastigheter (henholdsvis 5 L/min, 10 L/min og 15 L/min) oppnådde vi tilsvarende temperaturreduksjoner på 2,94 %, 4,79 % og 7,69 %.Derfor viser resultatene at den innebygde induksjonsmotoren effektivt kan redusere temperaturen sammenlignet med den luftkjølte induksjonsmotoren.
Den elektriske motoren er en av de viktigste oppfinnelsene innen moderne ingeniørvitenskap.Elektriske motorer brukes i alt fra husholdningsapparater til kjøretøy, inkludert bil- og romfartsindustrien.De siste årene har populariteten til induksjonsmotorer (AM) økt på grunn av deres høye startmoment, gode hastighetskontroll og moderate overbelastningskapasitet (fig. 1).Induksjonsmotorer får ikke bare lyspærene til å lyse, de driver de fleste dingsene i hjemmet ditt, fra tannbørsten til Tesla.Mekanisk energi i IM skapes av kontakten til magnetfeltet til statoren og rotorviklingene.I tillegg er IM et levedyktig alternativ på grunn av den begrensede tilgangen på sjeldne jordmetaller.Den største ulempen med AD er imidlertid at levetiden og effektiviteten deres er svært følsomme for temperatur.Induksjonsmotorer bruker omtrent 40 % av verdens elektrisitet, noe som burde få oss til å tro at det er kritisk å administrere strømforbruket til disse maskinene.
Arrhenius-ligningen sier at for hver 10°C økning i driftstemperatur, halveres levetiden til hele motoren.Derfor, for å sikre påliteligheten og øke produktiviteten til maskinen, er det nødvendig å ta hensyn til den termiske kontrollen av blodtrykket.Tidligere har termisk analyse blitt neglisjert, og motordesignere har kun vurdert problemet i periferien, basert på designerfaring eller andre dimensjonsvariabler som viklingsstrømtetthet osv. Disse tilnærmingene fører til bruk av store sikkerhetsmarginer for verste- oppvarmingsforhold, noe som resulterer i en økning i maskinstørrelse og derfor en økning i kostnad.
Det er to typer termisk analyse: klumpet kretsanalyse og numeriske metoder.Den største fordelen med analytiske metoder er muligheten til å utføre beregninger raskt og nøyaktig.Imidlertid må det gjøres betydelig innsats for å definere kretser med tilstrekkelig nøyaktighet for å simulere termiske baner.På den annen side er numeriske metoder grovt delt inn i computational fluid dynamics (CFD) og strukturell termisk analyse (STA), som begge bruker finitt element-analyse (FEA).Fordelen med numerisk analyse er at den lar deg modellere enhetens geometri.Imidlertid kan systemoppsett og beregninger noen ganger være vanskelige.De vitenskapelige artiklene som diskuteres nedenfor er utvalgte eksempler på termisk og elektromagnetisk analyse av ulike moderne induksjonsmotorer.Disse artiklene fikk forfatterne til å studere termiske fenomener i asynkrone motorer og metoder for deres kjøling.
Pil-Wan Han1 var engasjert i termisk og elektromagnetisk analyse av MI.Den klumpede kretsanalysemetoden brukes for termisk analyse, og den tidsvarierende magnetiske endelige elementmetoden brukes for elektromagnetisk analyse.For å gi riktig beskyttelse mot termisk overbelastning i enhver industriell applikasjon, må temperaturen på statorviklingen estimeres pålitelig.Ahmed et al.2 foreslo en høyere ordens varmenettmodell basert på dype termiske og termodynamiske betraktninger.Utviklingen av termiske modelleringsmetoder for industrielle termiske beskyttelsesformål drar nytte av analytiske løsninger og vurdering av termiske parametere.
Nair et al.3 brukte en kombinert analyse av en 39 kW IM og en 3D numerisk termisk analyse for å forutsi den termiske fordelingen i en elektrisk maskin.Ying et al.4 analyserte viftekjølte fullstendig lukkede (TEFC) IM-er med 3D-temperaturestimering.Moon et al.5 studerte varmestrømningsegenskapene til IM TEFC ved bruk av CFD.LPTN-motorovergangsmodellen ble gitt av Todd et al.6.Eksperimentelle temperaturdata brukes sammen med beregnede temperaturer utledet fra den foreslåtte LPTN-modellen.Peter et al.7 brukte CFD for å studere luftstrømmen som påvirker den termiske oppførselen til elektriske motorer.
Cabral et al8 foreslo en enkel IM termisk modell der maskintemperaturen ble oppnådd ved å bruke sylindervarmediffusjonsligningen.Nategh et al.9 studerte et selvventilert trekkmotorsystem ved bruk av CFD for å teste nøyaktigheten til optimaliserte komponenter.Dermed kan numeriske og eksperimentelle studier brukes til å simulere termisk analyse av induksjonsmotorer, se fig.2.
Yinye et al.10 foreslo et design for å forbedre termisk styring ved å utnytte de vanlige termiske egenskapene til standardmaterialer og vanlige kilder til tap av maskindeler.Marco et al.11 presenterte kriterier for utforming av kjølesystemer og vannkapper for maskinkomponenter ved bruk av CFD- og LPTN-modeller.Yaohui et al.12 gir ulike retningslinjer for valg av passende kjølemetode og evaluering av ytelse tidlig i designprosessen.Nell et al.13 foreslo å bruke modeller for koblet elektromagnetisk-termisk simulering for et gitt verdiområde, detaljnivå og beregningskraft for et multifysisk problem.Jean et al.14 og Kim et al.15 studerte temperaturfordelingen til en luftkjølt induksjonsmotor ved bruk av et 3D-koblet FEM-felt.Beregn inngangsdata ved å bruke 3D-virvelstrømfeltanalyse for å finne Joule-tap og bruke dem til termisk analyse.
Michel et al.16 sammenlignet konvensjonelle sentrifugale kjølevifter med aksialvifter av ulike design gjennom simuleringer og eksperimenter.En av disse designene oppnådde små, men betydelige forbedringer i motoreffektivitet samtidig som den samme driftstemperaturen ble opprettholdt.
Lu et al.17 brukte den tilsvarende magnetiske kretsmetoden i kombinasjon med Boglietti-modellen for å estimere jerntap på akselen til en induksjonsmotor.Forfatterne antar at fordelingen av magnetisk flukstetthet i ethvert tverrsnitt inne i spindelmotoren er jevn.De sammenlignet metoden deres med resultatene av endelig elementanalyse og eksperimentelle modeller.Denne metoden kan brukes til ekspressanalyse av MI, men nøyaktigheten er begrenset.
18 presenterer ulike metoder for å analysere det elektromagnetiske feltet til lineære induksjonsmotorer.Blant dem beskrives metoder for å estimere effekttap i reaktive skinner og metoder for å forutsi temperaturstigningen til trekklineære induksjonsmotorer.Disse metodene kan brukes til å forbedre energikonverteringseffektiviteten til lineære induksjonsmotorer.
Zabdur et al.19 undersøkte ytelsen til kjølejakker ved hjelp av en tredimensjonal numerisk metode.Kjølekappen bruker vann som hovedkilde for kjølevæske for trefase IM, som er viktig for kraften og maksimale temperaturer som kreves for pumping.Rippel et al.20 har patentert en ny tilnærming til væskekjølesystemer kalt tverrgående laminert kjøling, der kjølemediet strømmer på tvers gjennom smale områder dannet av hull i hverandre magnetisk laminering.Deriszade et al.21 eksperimentelt undersøkt kjøling av trekkmotorer i bilindustrien ved bruk av en blanding av etylenglykol og vann.Evaluer ytelsen til ulike blandinger med CFD og 3D turbulent væskeanalyse.En simuleringsstudie av Boopathi et al.22 viste at temperaturområdet for vannkjølte motorer (17-124°C) er betydelig mindre enn for luftkjølte motorer (104-250°C).Den maksimale temperaturen til den vannkjølte aluminiumsmotoren reduseres med 50,4 %, og den maksimale temperaturen til den vannkjølte PA6GF30-motoren reduseres med 48,4 %.Bezukov et al.23 evaluerte effekten av kalkdannelse på den termiske ledningsevnen til motorveggen med et væskekjølesystem.Studier har vist at en 1,5 mm tykk oksidfilm reduserer varmeoverføringen med 30 %, øker drivstofforbruket og reduserer motoreffekten.
Tanguy et al.24 utførte eksperimenter med ulike strømningshastigheter, oljetemperaturer, rotasjonshastigheter og injeksjonsmoduser for elektriske motorer som bruker smøreolje som kjølemiddel.Det er etablert et sterkt forhold mellom strømningshastighet og total kjøleeffektivitet.Ha et al.25 foreslo å bruke dryppdyser som dyser for å fordele oljefilmen jevnt og maksimere motorens kjøleeffektivitet.
Nandi et al.26 analyserte effekten av L-formede flate varmerør på motorytelse og termisk styring.Varmerørets fordamperdel er installert i motorhuset eller begravd i motorakselen, og kondensatordelen er installert og avkjølt av sirkulerende væske eller luft.Bellettre et al.27 studerte et PCM fast-væske kjølesystem for en transient motorstator.PCM-en impregnerer viklingshodene, og senker hot spot-temperaturen ved å lagre latent termisk energi.
Dermed blir motorytelse og temperatur evaluert ved hjelp av forskjellige kjølestrategier, se fig.3. Disse kjølekretsene er designet for å kontrollere temperaturen på viklinger, plater, viklingshoder, magneter, karosseri og endeplater.
Væskekjølesystemer er kjent for sin effektive varmeoverføring.Men å pumpe kjølevæske rundt motoren bruker mye energi, noe som reduserer motorens effektive effekt.Luftkjølesystemer er derimot en mye brukt metode på grunn av lave kostnader og enkle oppgraderinger.Imidlertid er det fortsatt mindre effektivt enn flytende kjølesystemer.En integrert tilnærming er nødvendig som kan kombinere den høye varmeoverføringsytelsen til et væskekjølt system med den lave kostnaden for et luftkjølt system uten å forbruke ekstra energi.
Denne artikkelen lister opp og analyserer varmetap i AD.Mekanismen for dette problemet, så vel som oppvarming og kjøling av induksjonsmotorer, er forklart i delen Varmetap i induksjonsmotorer gjennom kjølestrategier.Varmetapet til kjernen til en induksjonsmotor omdannes til varme.Derfor diskuterer denne artikkelen mekanismen for varmeoverføring inne i motoren ved ledning og tvungen konveksjon.Termisk modellering av IM ved bruk av kontinuitetsligninger, Navier-Stokes/momentum-ligninger og energiligninger rapporteres.Forskerne utførte analytiske og numeriske termiske studier av IM for å estimere temperaturen på statorviklingene med det eneste formål å kontrollere det termiske regimet til den elektriske motoren.Denne artikkelen fokuserer på termisk analyse av luftkjølte IM-er og termisk analyse av integrerte luftkjølte og vannkjølte IM-er ved bruk av CAD-modellering og ANSYS Fluent-simulering.Og de termiske fordelene med den integrerte forbedrede modellen av luftkjølte og vannkjølte systemer er dypt analysert.Som nevnt ovenfor, er ikke dokumentene som er oppført her et sammendrag av teknikkens stand innen termiske fenomener og kjøling av induksjonsmotorer, men de indikerer mange problemer som må løses for å sikre pålitelig drift av induksjonsmotorer. .
Varmetap deles vanligvis inn i kobbertap, jerntap og friksjon/mekanisk tap.
Kobbertap er et resultat av Joule-oppvarming på grunn av resistiviteten til lederen og kan kvantifiseres som 10,28:
hvor q̇g er varmen som genereres, I og Ve er henholdsvis nominell strøm og spenning, og Re er kobbermotstanden.
Jerntap, også kjent som parasittisk tap, er den andre hovedtypen av tap som forårsaker hysterese og virvelstrømstap i AM, hovedsakelig forårsaket av det tidsvarierende magnetfeltet.De er kvantifisert av den utvidede Steinmetz-ligningen, hvis koeffisienter kan betraktes som konstante eller variable avhengig av driftsforhold10,28,29.
hvor Khn er hysteresetapsfaktoren utledet fra kjernetapsdiagrammet, Ken er virvelstrømstapsfaktoren, N er den harmoniske indeksen, Bn og f er henholdsvis toppflukstettheten og frekvensen til den ikke-sinusformede eksitasjonen.Ovennevnte ligning kan forenkles ytterligere som følger10,29:
Blant dem er K1 og K2 henholdsvis kjernetapsfaktoren og virvelstrømstap (qec), hysteresestap (qh) og overskytende tap (qex).
Vindlast og friksjonstap er de to hovedårsakene til mekaniske tap i IM.Vind- og friksjonstap er 10,
I formelen er n rotasjonshastigheten, Kfb er koeffisienten for friksjonstap, D er den ytre diameteren til rotoren, l er lengden på rotoren, G er vekten til rotoren 10.
Den primære mekanismen for varmeoverføring i motoren er via ledning og intern oppvarming, som bestemt av Poisson-ligningen30 brukt på dette eksemplet:
Under drift, etter et visst tidspunkt når motoren når stabil tilstand, kan varmen som genereres tilnærmes ved en konstant oppvarming av overflatevarmefluksen.Derfor kan det antas at ledningen inne i motoren utføres med frigjøring av intern varme.
Varmeoverføringen mellom finnene og den omkringliggende atmosfæren betraktes som tvungen konveksjon, når væsken tvinges til å bevege seg i en bestemt retning av en ekstern kraft.Konveksjon kan uttrykkes som 30:
hvor h er varmeoverføringskoeffisienten (W/m2 K), A er overflatearealet, og ΔT er temperaturforskjellen mellom varmeoverføringsoverflaten og kjølemediet vinkelrett på overflaten.Nusselt-tallet (Nu) er et mål på forholdet mellom konvektiv og ledende varmeoverføring vinkelrett på grensen og er valgt basert på egenskapene til laminær og turbulent strømning.I følge den empiriske metoden er Nusselt-tallet for turbulent strøm vanligvis assosiert med Reynolds-tallet og Prandtl-tallet, uttrykt som 30:
hvor h er den konvektive varmeoverføringskoeffisienten (W/m2 K), l er den karakteristiske lengden, λ er væskens varmeledningsevne (W/m K), og Prandtl-tallet (Pr) er et mål på forholdet mellom momentumdiffusjonskoeffisienten til den termiske diffusiviteten (eller hastighet og relativ tykkelse av det termiske grenselaget), definert som 30:
hvor k og cp er henholdsvis den termiske ledningsevnen og den spesifikke varmekapasiteten til væsken.Generelt er luft og vann de vanligste kjølevæskene for elektriske motorer.Væskeegenskapene til luft og vann ved omgivelsestemperatur er vist i tabell 1.
IM termisk modellering er basert på følgende forutsetninger: 3D stabil tilstand, turbulent strømning, luft er en ideell gass, ubetydelig stråling, newtonsk væske, inkompressibel væske, sklifri tilstand og konstante egenskaper.Derfor brukes følgende ligninger for å oppfylle lovene om bevaring av masse, momentum og energi i væskeområdet.
I det generelle tilfellet er massekonserveringsligningen lik netto massestrøm inn i cellen med væske, bestemt av formelen:
I følge Newtons andre lov er endringshastigheten for momentumet til en væskepartikkel lik summen av kreftene som virker på den, og den generelle momentumkonserveringsligningen kan skrives i vektorform som:
Begrepene ∇p, ∇∙τij og ρg i ligningen ovenfor representerer henholdsvis trykk, viskositet og tyngdekraft.Kjølemedier (luft, vann, olje osv.) som brukes som kjølevæsker i maskiner anses generelt for å være newtonsk.Ligningene som vises her inkluderer kun et lineært forhold mellom skjærspenning og en hastighetsgradient (tøyningshastighet) vinkelrett på skjærretningen.Med tanke på konstant viskositet og jevn flyt, kan ligning (12) endres til 31:
I henhold til termodynamikkens første lov er endringshastigheten i energien til en væskepartikkel lik summen av nettovarmen generert av væskepartikkelen og nettoeffekten produsert av væskepartikkelen.For en Newtonsk komprimerbar viskøs strømning kan energisparingsligningen uttrykkes som 31:
hvor Cp er varmekapasiteten ved konstant trykk, og begrepet ∇ ∙ (k∇T) er relatert til den termiske ledningsevnen gjennom væskecellegrensen, hvor k angir varmeledningsevnen.Omdannelsen av mekanisk energi til varme betraktes i form av \(\varnothing\) (dvs. funksjonen for viskøs spredning) og er definert som:
Der \(\rho\) er tettheten til væsken, \(\mu\) er viskositeten til væsken, u, v og w er potensialet til henholdsvis retningen x, y, z til væskehastigheten.Dette begrepet beskriver omdannelsen av mekanisk energi til termisk energi og kan ignoreres fordi det bare er viktig når viskositeten til væsken er veldig høy og hastighetsgradienten til væsken er veldig stor.Ved jevn strømning, konstant spesifikk varme og termisk ledningsevne, modifiseres energiligningen som følger:
Disse grunnleggende ligningene er løst for laminær strømning i det kartesiske koordinatsystemet.Men, som mange andre tekniske problemer, er driften av elektriske maskiner først og fremst forbundet med turbulente strømninger.Derfor er disse ligningene modifisert for å danne Reynolds Navier-Stokes (RANS) gjennomsnittsmetode for turbulensmodellering.
I dette arbeidet ble ANSYS FLUENT 2021-programmet for CFD-modellering med de tilsvarende grensebetingelsene valgt, slik som modellen som ble vurdert: en asynkronmotor med en luftkjøling med en kapasitet på 100 kW, diameteren på rotoren 80,80 mm, diameteren av statoren 83,56 mm (intern) og 190 mm (ekstern), en luftspalte på 1,38 mm, den totale lengden på 234 mm, mengden , tykkelsen på ribbene 3 mm..
SolidWorks luftkjølte motormodell blir deretter importert til ANSYS Fluent og simulert.I tillegg kontrolleres de oppnådde resultatene for å sikre nøyaktigheten av den utførte simuleringen.I tillegg ble en integrert luft- og vannkjølt IM modellert ved hjelp av SolidWorks 2017-programvare og simulert ved hjelp av ANSYS Fluent 2021-programvare (figur 4).
Designet og dimensjonene til denne modellen er inspirert av Siemens 1LA9 aluminiumsserien og modellert i SolidWorks 2017. Modellen har blitt noe modifisert for å passe behovene til simuleringsprogramvaren.Endre CAD-modeller ved å fjerne uønskede deler, fjerne fileter, faser og mer når du modellerer med ANSYS Workbench 2021.
En designinnovasjon er vannjakken, hvis lengde ble bestemt fra simuleringsresultatene til den første modellen.Det er gjort noen endringer i vannjakke-simuleringen for å få best mulig resultat ved bruk av midjen i ANSYS.Ulike deler av IM er vist i fig.5a–f.
(EN).Rotorkjerne og IM-aksel.(b) IM statorkjerne.(c) IM statorvikling.(d) Ekstern ramme til MI.(e) IM vannjakke.f) kombinasjon av luft- og vannkjølte IM-modeller.
Den akselmonterte viften gir en konstant luftstrøm på 10 m/s og en temperatur på 30 °C på overflaten av finnene.Verdien av hastigheten velges tilfeldig avhengig av kapasiteten til blodtrykket analysert i denne artikkelen, som er større enn det som er angitt i litteraturen.Den varme sonen inkluderer rotoren, stator, statorviklinger og rotorholderstenger.Materialene til statoren og rotoren er stål, viklingene og burstengene er kobber, rammen og ribbene er aluminium.Varmen som genereres i disse områdene skyldes elektromagnetiske fenomener, som Joule-oppvarming når en ekstern strøm føres gjennom en kobberspole, samt endringer i magnetfeltet.Varmefrigjøringshastighetene til de forskjellige komponentene ble hentet fra forskjellig litteratur tilgjengelig for en 100 kW IM.
Integrerte luftkjølte og vannkjølte IM-er, i tillegg til de ovennevnte forholdene, inkluderte også en vannkappe, der varmeoverføringsevnene og pumpekraftbehovet ble analysert for forskjellige vannstrømningshastigheter (5 l/min, 10 l/min. og 15 l/min).Denne ventilen ble valgt som minimumsventil, siden resultatene ikke endret seg vesentlig for strømninger under 5 L/min.I tillegg ble en strømningshastighet på 15 L/min valgt som maksimal verdi, siden pumpeeffekten økte betydelig til tross for at temperaturen fortsatte å falle.
Ulike IM-modeller ble importert til ANSYS Fluent og videreredigert ved hjelp av ANSYS Design Modeler.Videre ble et boksformet hus med dimensjoner på 0,3 × 0,3 × 0,5 m bygget rundt AD for å analysere luftbevegelsen rundt motoren og studere fjerning av varme til atmosfæren.Lignende analyser ble utført for integrerte luft- og vannkjølte IM-er.
IM-modellen er modellert ved hjelp av CFD og FEM numeriske metoder.Netting er bygget i CFD for å dele et domene i et visst antall komponenter for å finne en løsning.Tetraedriske masker med passende elementstørrelser brukes for generell kompleks geometri av motorkomponenter.Alle grensesnitt ble fylt med 10 lag for å oppnå nøyaktige overflatevarmeoverføringsresultater.Rutenettgeometrien til to MI-modeller er vist i fig.6a, b.
Energiligningen lar deg studere varmeoverføring i forskjellige områder av motoren.K-epsilon turbulensmodell med standard veggfunksjoner ble valgt for å modellere turbulens rundt den ytre overflaten.Modellen tar hensyn til kinetisk energi (Ek) og turbulent dissipasjon (epsilon).Kobber, aluminium, stål, luft og vann ble valgt for sine standardegenskaper for bruk i sine respektive applikasjoner.Varmespredningshastigheter (se tabell 2) er gitt som innganger, og ulike batterisoneforhold er satt til 15, 17, 28, 32. Lufthastigheten over motorhuset ble satt til 10 m/s for begge motormodellene, og i i tillegg ble det tatt hensyn til tre ulike vannmengder for vannkappen (5 l/min, 10 l/min og 15 l/min).For større nøyaktighet ble residualene for alle ligninger satt lik 1 × 10–6.Velg ENKEL (semi-implisitt metode for trykkligninger) algoritmen for å løse Navier Prime (NS) ligningene.Etter at hybridinitieringen er fullført, vil oppsettet kjøre 500 iterasjoner, som vist i figur 7.
Innleggstid: 24. juli 2023