Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Στο μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Λόγω του λειτουργικού κόστους και της μακροζωίας του κινητήρα, η σωστή στρατηγική διαχείρισης της θερμότητας του κινητήρα είναι εξαιρετικά σημαντική.Αυτό το άρθρο έχει αναπτύξει μια στρατηγική θερμικής διαχείρισης για επαγωγικούς κινητήρες για την παροχή καλύτερης αντοχής και βελτίωσης της απόδοσης.Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μια εκτενής ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με τις μεθόδους ψύξης του κινητήρα.Ως κύριο αποτέλεσμα, δίνεται ένας θερμικός υπολογισμός ενός αερόψυκτου ασύγχρονου κινητήρα υψηλής ισχύος, λαμβάνοντας υπόψη το γνωστό πρόβλημα της κατανομής της θερμότητας.Επιπλέον, αυτή η μελέτη προτείνει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση με δύο ή περισσότερες στρατηγικές ψύξης για την κάλυψη των τρεχουσών αναγκών.Μια αριθμητική μελέτη ενός μοντέλου αερόψυκτου ασύγχρονου κινητήρα 100 kW και ενός βελτιωμένου μοντέλου θερμικής διαχείρισης του ίδιου κινητήρα, όπου επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση της απόδοσης του κινητήρα μέσω ενός συνδυασμού αερόψυξης και ενός ενσωματωμένου συστήματος υδρόψυξης. διεξήχθη.Μελετήθηκε ένα ολοκληρωμένο αερόψυκτο και υδρόψυκτο σύστημα χρησιμοποιώντας τις εκδόσεις SolidWorks 2017 και ANSYS Fluent 2021.Τρεις διαφορετικές ροές νερού (5 L/min, 10 L/min, και 15 L/min) αναλύθηκαν έναντι συμβατικών αερόψυκτων επαγωγικών κινητήρων και επαληθεύτηκαν με χρήση διαθέσιμων δημοσιευμένων πόρων.Η ανάλυση δείχνει ότι για διαφορετικούς ρυθμούς ροής (5 L/min, 10 L/min και 15 L/min αντίστοιχα) λάβαμε αντίστοιχες μειώσεις θερμοκρασίας 2,94%, 4,79% και 7,69%.Επομένως, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ενσωματωμένος επαγωγικός κινητήρας μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά τη θερμοκρασία σε σύγκριση με τον αερόψυκτο κινητήρα επαγωγής.
Ο ηλεκτροκινητήρας είναι μια από τις βασικές εφευρέσεις της σύγχρονης επιστήμης της μηχανικής.Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε οτιδήποτε, από οικιακές συσκευές έως οχήματα, συμπεριλαμβανομένης της αυτοκινητοβιομηχανίας και της αεροδιαστημικής βιομηχανίας.Τα τελευταία χρόνια, η δημοτικότητα των κινητήρων επαγωγής (AM) έχει αυξηθεί λόγω της υψηλής ροπής εκκίνησης, του καλού ελέγχου ταχύτητας και της μέτριας ικανότητας υπερφόρτωσης (Εικ. 1).Οι επαγωγικοί κινητήρες όχι μόνο κάνουν τους λαμπτήρες σας να λάμπουν, αλλά τροφοδοτούν τα περισσότερα gadget στο σπίτι σας, από την οδοντόβουρτσα μέχρι το Tesla.Η μηχανική ενέργεια στο IM δημιουργείται από την επαφή του μαγνητικού πεδίου των περιελίξεων του στάτορα και του ρότορα.Επιπλέον, το IM είναι μια βιώσιμη επιλογή λόγω της περιορισμένης προσφοράς μετάλλων σπάνιων γαιών.Ωστόσο, το κύριο μειονέκτημα των AD είναι ότι η διάρκεια ζωής και η απόδοσή τους είναι πολύ ευαίσθητα στη θερμοκρασία.Οι επαγωγικοί κινητήρες καταναλώνουν περίπου το 40% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας, κάτι που θα πρέπει να μας κάνει να πιστεύουμε ότι η διαχείριση της κατανάλωσης ισχύος αυτών των μηχανών είναι κρίσιμη.
Η εξίσωση Arrhenius δηλώνει ότι για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας κατά 10°C, η διάρκεια ζωής ολόκληρου του κινητήρα μειώνεται στο μισό.Επομένως, για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία και να αυξηθεί η παραγωγικότητα του μηχανήματος, είναι απαραίτητο να δοθεί προσοχή στον θερμικό έλεγχο της αρτηριακής πίεσης.Στο παρελθόν, η θερμική ανάλυση είχε παραμεληθεί και οι σχεδιαστές κινητήρων εξέτασαν το πρόβλημα μόνο στην περιφέρεια, με βάση την εμπειρία σχεδιασμού ή άλλες μεταβλητές διαστάσεων όπως η πυκνότητα ρεύματος περιέλιξης κ.λπ. Αυτές οι προσεγγίσεις οδηγούν στην εφαρμογή μεγάλων περιθωρίων ασφαλείας για τις χειρότερες συνθήκες θέρμανσης θήκης, με αποτέλεσμα την αύξηση του μεγέθους του μηχανήματος και συνεπώς την αύξηση του κόστους.
Υπάρχουν δύο τύποι θερμικής ανάλυσης: η ανάλυση ομαδοποιημένου κυκλώματος και οι αριθμητικές μέθοδοι.Το κύριο πλεονέκτημα των αναλυτικών μεθόδων είναι η ικανότητα εκτέλεσης υπολογισμών γρήγορα και με ακρίβεια.Ωστόσο, πρέπει να καταβληθεί σημαντική προσπάθεια για τον καθορισμό κυκλωμάτων με επαρκή ακρίβεια για την προσομοίωση θερμικών μονοπατιών.Από την άλλη πλευρά, οι αριθμητικές μέθοδοι χωρίζονται χονδρικά σε υπολογιστική ρευστοδυναμική (CFD) και δομική θερμική ανάλυση (STA), και οι δύο χρησιμοποιούν ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA).Το πλεονέκτημα της αριθμητικής ανάλυσης είναι ότι σας επιτρέπει να μοντελοποιήσετε τη γεωμετρία της συσκευής.Ωστόσο, η ρύθμιση του συστήματος και οι υπολογισμοί μπορεί μερικές φορές να είναι δύσκολοι.Τα επιστημονικά άρθρα που συζητούνται παρακάτω είναι επιλεγμένα παραδείγματα θερμικής και ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης διαφόρων σύγχρονων επαγωγικών κινητήρων.Αυτά τα άρθρα ώθησαν τους συγγραφείς να μελετήσουν θερμικά φαινόμενα σε ασύγχρονους κινητήρες και μεθόδους ψύξης τους.
Ο Pil-Wan Han1 ασχολήθηκε με τη θερμική και ηλεκτρομαγνητική ανάλυση του MI.Η μέθοδος ανάλυσης ομαδοποιημένου κυκλώματος χρησιμοποιείται για θερμική ανάλυση και η χρονικά μεταβαλλόμενη μέθοδος μαγνητικών πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιείται για ηλεκτρομαγνητική ανάλυση.Προκειμένου να παρέχεται σωστά προστασία θερμικής υπερφόρτωσης σε οποιαδήποτε βιομηχανική εφαρμογή, η θερμοκρασία της περιέλιξης του στάτη πρέπει να εκτιμάται αξιόπιστα.Ο Ahmed et al.2 πρότεινε ένα μοντέλο δικτύου θερμότητας υψηλότερης τάξης βασισμένο σε βαθιές θερμικές και θερμοδυναμικές εκτιμήσεις.Η ανάπτυξη μεθόδων θερμικής μοντελοποίησης για σκοπούς βιομηχανικής θερμικής προστασίας επωφελείται από αναλυτικές λύσεις και την εξέταση των θερμικών παραμέτρων.
Οι Nair et al.3 χρησιμοποίησαν μια συνδυασμένη ανάλυση ενός IM 39 kW και μιας τρισδιάστατης αριθμητικής θερμικής ανάλυσης για να προβλέψουν τη θερμική κατανομή σε μια ηλεκτρική μηχανή.Οι Ying et al.4 ανέλυσαν πλήρως κλειστούς (TEFC) IM με ψύξη ανεμιστήρα με τρισδιάστατη εκτίμηση θερμοκρασίας.Moon et al.5 μελέτησε τις ιδιότητες ροής θερμότητας του IM TEFC χρησιμοποιώντας CFD.Το μοντέλο μετάβασης κινητήρα LPTN δόθηκε από τους Todd et al.6.Χρησιμοποιούνται πειραματικά δεδομένα θερμοκρασίας μαζί με υπολογισμένες θερμοκρασίες που προέρχονται από το προτεινόμενο μοντέλο LPTN.Οι Peter et al.7 χρησιμοποίησαν το CFD για να μελετήσουν τη ροή αέρα που επηρεάζει τη θερμική συμπεριφορά των ηλεκτροκινητήρων.
Οι Cabral et al8 πρότειναν ένα απλό θερμικό μοντέλο IM στο οποίο η θερμοκρασία της μηχανής λήφθηκε εφαρμόζοντας την εξίσωση διάχυσης θερμότητας κυλίνδρου.Οι Nategh et al.9 μελέτησαν ένα σύστημα αυτοαεριζόμενου κινητήρα έλξης χρησιμοποιώντας CFD για να δοκιμάσουν την ακρίβεια των βελτιστοποιημένων εξαρτημάτων.Έτσι, αριθμητικές και πειραματικές μελέτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση της θερμικής ανάλυσης επαγωγικών κινητήρων, βλ.2.
Οι Yinye et al.10 πρότειναν ένα σχέδιο για τη βελτίωση της θερμικής διαχείρισης αξιοποιώντας τις κοινές θερμικές ιδιότητες των τυπικών υλικών και τις κοινές πηγές απώλειας εξαρτημάτων μηχανής.Οι Marco et al.11 παρουσίασαν κριτήρια για το σχεδιασμό συστημάτων ψύξης και χιτώνια νερού για εξαρτήματα μηχανών χρησιμοποιώντας μοντέλα CFD και LPTN.Οι Yaohui et al.12 παρέχουν διάφορες κατευθυντήριες γραμμές για την επιλογή μιας κατάλληλης μεθόδου ψύξης και την αξιολόγηση της απόδοσης νωρίς στη διαδικασία σχεδιασμού.Ο Nell et al.13 πρότεινε τη χρήση μοντέλων για συζευγμένη ηλεκτρομαγνητική-θερμική προσομοίωση για ένα δεδομένο εύρος τιμών, επίπεδο λεπτομέρειας και υπολογιστική ισχύ για ένα πρόβλημα πολυφυσικής.Οι Jean et al.14 και Kim et al.15 μελέτησαν την κατανομή θερμοκρασίας ενός αερόψυκτου κινητήρα επαγωγής χρησιμοποιώντας ένα 3D συζευγμένο πεδίο FEM.Υπολογίστε τα δεδομένα εισόδου χρησιμοποιώντας ανάλυση πεδίου 3D δινορρευμάτων για να βρείτε τις απώλειες Joule και να τις χρησιμοποιήσετε για θερμική ανάλυση.
Οι Michel et al.16 συνέκριναν τους συμβατικούς φυγοκεντρικούς ανεμιστήρες ψύξης με αξονικούς ανεμιστήρες διαφόρων σχεδίων μέσω προσομοιώσεων και πειραμάτων.Ένα από αυτά τα σχέδια πέτυχε μικρές αλλά σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση του κινητήρα διατηρώντας την ίδια θερμοκρασία λειτουργίας.
Οι Lu et al.17 χρησιμοποίησαν τη μέθοδο ισοδύναμου μαγνητικού κυκλώματος σε συνδυασμό με το μοντέλο Boglietti για να υπολογίσουν τις απώλειες σιδήρου στον άξονα ενός επαγωγικού κινητήρα.Οι συγγραφείς υποθέτουν ότι η κατανομή της πυκνότητας της μαγνητικής ροής σε οποιαδήποτε διατομή μέσα στον κινητήρα του άξονα είναι ομοιόμορφη.Συνέκριναν τη μέθοδό τους με τα αποτελέσματα της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων και των πειραματικών μοντέλων.Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ρητή ανάλυση του MI, αλλά η ακρίβειά της είναι περιορισμένη.
18 παρουσιάζει διάφορες μεθόδους για την ανάλυση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου των κινητήρων γραμμικής επαγωγής.Μεταξύ αυτών, περιγράφονται μέθοδοι για την εκτίμηση των απωλειών ισχύος σε αντιδραστικές ράγες και μέθοδοι για την πρόβλεψη της αύξησης της θερμοκρασίας των κινητήρων γραμμικής επαγωγής έλξης.Αυτές οι μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της απόδοσης μετατροπής ενέργειας των γραμμικών επαγωγικών κινητήρων.
Zabdur et al.19 ερεύνησε την απόδοση των τζάκετ ψύξης χρησιμοποιώντας μια τρισδιάστατη αριθμητική μέθοδο.Το χιτώνιο ψύξης χρησιμοποιεί νερό ως κύρια πηγή ψυκτικού για το τριφασικό IM, το οποίο είναι σημαντικό για την ισχύ και τις μέγιστες θερμοκρασίες που απαιτούνται για την άντληση.Οι Rippel et al.20 έχουν κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια νέα προσέγγιση στα συστήματα υγρής ψύξης που ονομάζεται εγκάρσια ελασματοποιημένη ψύξη, στην οποία το ψυκτικό ρέει εγκάρσια μέσα από στενές περιοχές που σχηματίζονται από οπές η μία στην άλλη μαγνητική ελασματοποίηση.Οι Deriszade et al.21 ερεύνησε πειραματικά την ψύξη των κινητήρων έλξης στην αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιώντας ένα μείγμα αιθυλενογλυκόλης και νερού.Αξιολογήστε την απόδοση διαφόρων μιγμάτων με ανάλυση CFD και 3D τυρβώδους υγρού.Μια μελέτη προσομοίωσης από τους Boopathi et al.22 έδειξε ότι το εύρος θερμοκρασίας για τους υδρόψυκτους κινητήρες (17-124°C) είναι σημαντικά μικρότερο από ό,τι για τους αερόψυκτους κινητήρες (104-250°C).Η μέγιστη θερμοκρασία του υδρόψυκτου κινητήρα αλουμινίου μειώνεται κατά 50,4%, και η μέγιστη θερμοκρασία του υδρόψυκτου κινητήρα PA6GF30 μειώνεται κατά 48,4%.Οι Bezukov et al.23 αξιολόγησαν την επίδραση του σχηματισμού αλάτων στη θερμική αγωγιμότητα του τοιχώματος του κινητήρα με ένα σύστημα ψύξης υγρού.Μελέτες έχουν δείξει ότι ένα φιλμ οξειδίου πάχους 1,5 mm μειώνει τη μεταφορά θερμότητας κατά 30%, αυξάνει την κατανάλωση καυσίμου και μειώνει την ισχύ του κινητήρα.
Οι Tanguy et al.24 διεξήγαγαν πειράματα με διάφορους ρυθμούς ροής, θερμοκρασίες λαδιού, ταχύτητες περιστροφής και τρόπους ψεκασμού για ηλεκτρικούς κινητήρες που χρησιμοποιούν λιπαντικό λάδι ως ψυκτικό.Έχει δημιουργηθεί μια ισχυρή σχέση μεταξύ του ρυθμού ροής και της συνολικής απόδοσης ψύξης.Οι Ha et al.25 πρότειναν τη χρήση ακροφυσίων στάγδην ως ακροφύσια για την ομοιόμορφη κατανομή του φιλμ λαδιού και τη μεγιστοποίηση της απόδοσης ψύξης του κινητήρα.
Οι Nandi et al.26 ανέλυσαν την επίδραση των επίπεδων σωλήνων θερμότητας σχήματος L στην απόδοση του κινητήρα και τη θερμική διαχείριση.Το τμήμα του εξατμιστή του σωλήνα θερμότητας εγκαθίσταται στο περίβλημα του κινητήρα ή είναι θαμμένο στον άξονα του κινητήρα και το τμήμα του συμπυκνωτή εγκαθίσταται και ψύχεται με κυκλοφορία υγρού ή αέρα.Οι Bellettre et al.27 μελέτησε ένα PCM στερεό-υγρό σύστημα ψύξης για έναν μεταβατικό στάτορα κινητήρα.Το PCM εμποτίζει τις κεφαλές περιέλιξης, μειώνοντας τη θερμοκρασία του hot spot αποθηκεύοντας λανθάνουσα θερμική ενέργεια.
Έτσι, η απόδοση του κινητήρα και η θερμοκρασία αξιολογούνται χρησιμοποιώντας διαφορετικές στρατηγικές ψύξης, βλ.3. Αυτά τα κυκλώματα ψύξης έχουν σχεδιαστεί για να ελέγχουν τη θερμοκρασία των περιελίξεων, των πλακών, των κεφαλών περιελίξεων, των μαγνητών, του σκελετού και των ακραίων πλακών.
Τα συστήματα υγρής ψύξης είναι γνωστά για την αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας.Ωστόσο, η άντληση ψυκτικού υγρού γύρω από τον κινητήρα καταναλώνει πολλή ενέργεια, η οποία μειώνει την αποτελεσματική ισχύ εξόδου του κινητήρα.Τα συστήματα αερόψυξης, από την άλλη, αποτελούν μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδο λόγω του χαμηλού κόστους και της ευκολίας αναβάθμισής τους.Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι λιγότερο αποδοτικό από τα συστήματα υγρής ψύξης.Απαιτείται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση που μπορεί να συνδυάσει την υψηλή απόδοση μεταφοράς θερμότητας ενός υγρόψυκτου συστήματος με το χαμηλό κόστος ενός αερόψυκτου συστήματος χωρίς να καταναλώνει πρόσθετη ενέργεια.
Αυτό το άρθρο παραθέτει και αναλύει τις απώλειες θερμότητας στην AD.Ο μηχανισμός αυτού του προβλήματος, καθώς και η θέρμανση και η ψύξη των επαγωγικών κινητήρων, εξηγείται στην ενότητα Απώλεια θερμότητας σε κινητήρες επαγωγής μέσω των στρατηγικών ψύξης.Η απώλεια θερμότητας του πυρήνα ενός επαγωγικού κινητήρα μετατρέπεται σε θερμότητα.Επομένως, αυτό το άρθρο εξετάζει τον μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας στο εσωτερικό του κινητήρα μέσω αγωγιμότητας και εξαναγκασμένης μεταφοράς.Αναφέρεται θερμική μοντελοποίηση ΔΥ χρησιμοποιώντας εξισώσεις συνέχειας, εξισώσεις Navier-Stokes/ορμή και εξισώσεις ενέργειας.Οι ερευνητές πραγματοποίησαν αναλυτικές και αριθμητικές θερμικές μελέτες IM για να εκτιμήσουν τη θερμοκρασία των περιελίξεων του στάτη με μοναδικό σκοπό τον έλεγχο της θερμικής κατάστασης του ηλεκτροκινητήρα.Αυτό το άρθρο εστιάζει στη θερμική ανάλυση αερόψυκτων IM και στη θερμική ανάλυση των ενσωματωμένων αερόψυκτων και υδρόψυκτων IM με χρήση μοντελοποίησης CAD και προσομοίωσης Fluent ANSYS.Και τα θερμικά πλεονεκτήματα του ολοκληρωμένου βελτιωμένου μοντέλου αερόψυκτων και υδρόψυκτων συστημάτων αναλύονται σε βάθος.Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα έγγραφα που παρατίθενται εδώ δεν αποτελούν σύνοψη της τελευταίας τεχνολογίας στον τομέα των θερμικών φαινομένων και της ψύξης των κινητήρων επαγωγής, αλλά υποδεικνύουν πολλά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν προκειμένου να διασφαλιστεί η αξιόπιστη λειτουργία των επαγωγικών κινητήρων .
Η απώλεια θερμότητας συνήθως χωρίζεται σε απώλεια χαλκού, απώλεια σιδήρου και τριβή/μηχανική απώλεια.
Οι απώλειες χαλκού είναι αποτέλεσμα θέρμανσης Joule λόγω της ειδικής αντίστασης του αγωγού και μπορούν να ποσοτικοποιηθούν ως 10,28:
όπου q̇g είναι η θερμότητα που παράγεται, I και Ve είναι το ονομαστικό ρεύμα και τάση, αντίστοιχα, και Re είναι η αντίσταση του χαλκού.
Η απώλεια σιδήρου, γνωστή και ως παρασιτική απώλεια, είναι ο δεύτερος κύριος τύπος απώλειας που προκαλεί υστέρηση και απώλειες δινορευμάτων στην ΑΜ, που προκαλούνται κυρίως από το χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο.Ποσοτικοποιούνται από την εκτεταμένη εξίσωση Steinmetz, της οποίας οι συντελεστές μπορούν να θεωρηθούν σταθεροί ή μεταβλητοί ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας10,28,29.
όπου Khn είναι ο παράγοντας απώλειας υστέρησης που προέρχεται από το διάγραμμα απώλειας πυρήνα, Ken είναι ο παράγοντας απώλειας δινορευμάτων, N είναι ο αρμονικός δείκτης, Bn και f είναι η μέγιστη πυκνότητα ροής και η συχνότητα της μη ημιτονοειδής διέγερσης, αντίστοιχα.Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να απλοποιηθεί περαιτέρω ως εξής10,29:
Μεταξύ αυτών, το K1 και το K2 είναι ο παράγοντας απώλειας πυρήνα και η απώλεια δινορευμάτων (qec), η απώλεια υστέρησης (qh) και η υπερβολική απώλεια (qex), αντίστοιχα.
Το φορτίο ανέμου και οι απώλειες τριβής είναι οι δύο κύριες αιτίες μηχανικών απωλειών στο ΔΥ.Οι απώλειες ανέμου και τριβής είναι 10,
Στον τύπο, n είναι η ταχύτητα περιστροφής, Kfb είναι ο συντελεστής απωλειών τριβής, D είναι η εξωτερική διάμετρος του ρότορα, l είναι το μήκος του ρότορα, G είναι το βάρος του ρότορα 10.
Ο κύριος μηχανισμός για τη μεταφορά θερμότητας εντός του κινητήρα είναι μέσω αγωγιμότητας και εσωτερικής θέρμανσης, όπως προσδιορίζεται από την εξίσωση Poisson30 που εφαρμόζεται σε αυτό το παράδειγμα:
Κατά τη λειτουργία, μετά από ένα ορισμένο χρονικό σημείο που ο κινητήρας φτάσει σε σταθερή κατάσταση, η θερμότητα που παράγεται μπορεί να προσεγγιστεί με μια σταθερή θέρμανση της ροής θερμότητας της επιφάνειας.Ως εκ τούτου, μπορεί να υποτεθεί ότι η αγωγιμότητα στο εσωτερικό του κινητήρα πραγματοποιείται με την απελευθέρωση εσωτερικής θερμότητας.
Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ των πτερυγίων και της περιβάλλουσας ατμόσφαιρας θεωρείται εξαναγκασμένη μεταφορά, όταν το ρευστό αναγκάζεται να κινηθεί προς μια ορισμένη κατεύθυνση από μια εξωτερική δύναμη.Η συναγωγή μπορεί να εκφραστεί ως 30:
όπου h είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας (W/m2 K), A είναι η επιφάνεια και ΔT είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας και του ψυκτικού μέσου κάθετα στην επιφάνεια.Ο αριθμός Nusselt (Nu) είναι ένα μέτρο της αναλογίας της μεταφοράς θερμότητας με αγωγό και αγώγιμο κάθετο στο όριο και επιλέγεται με βάση τα χαρακτηριστικά της στρωτής και τυρβώδους ροής.Σύμφωνα με την εμπειρική μέθοδο, ο αριθμός Nusselt της τυρβώδους ροής συνήθως συνδέεται με τον αριθμό Reynolds και τον αριθμό Prandtl, που εκφράζεται ως 30:
όπου h είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας (W/m2 K), l είναι το χαρακτηριστικό μήκος, λ είναι η θερμική αγωγιμότητα του ρευστού (W/m K) και ο αριθμός Prandtl (Pr) είναι ένα μέτρο του λόγου του ο συντελεστής διάχυσης ορμής στη θερμική διάχυση (ή ταχύτητα και σχετικό πάχος του θερμικού οριακού στρώματος), που ορίζεται ως 30:
όπου k και cp είναι η θερμική αγωγιμότητα και η ειδική θερμοχωρητικότητα του υγρού, αντίστοιχα.Γενικά, ο αέρας και το νερό είναι τα πιο κοινά ψυκτικά για ηλεκτρικούς κινητήρες.Οι υγρές ιδιότητες του αέρα και του νερού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος φαίνονται στον Πίνακα 1.
Η θερμική μοντελοποίηση IM βασίζεται στις ακόλουθες υποθέσεις: τρισδιάστατη σταθερή κατάσταση, τυρβώδης ροή, ο αέρας είναι ιδανικό αέριο, αμελητέα ακτινοβολία, νευτώνειο ρευστό, ασυμπίεστο ρευστό, κατάσταση μη ολίσθησης και σταθερές ιδιότητες.Επομένως, οι ακόλουθες εξισώσεις χρησιμοποιούνται για την εκπλήρωση των νόμων διατήρησης της μάζας, της ορμής και της ενέργειας στην περιοχή του υγρού.
Στη γενική περίπτωση, η εξίσωση διατήρησης μάζας είναι ίση με την καθαρή ροή μάζας στο στοιχείο με υγρό, που προσδιορίζεται από τον τύπο:
Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, ο ρυθμός μεταβολής της ορμής ενός υγρού σωματιδίου είναι ίσος με το άθροισμα των δυνάμεων που ασκούνται σε αυτό και η γενική εξίσωση διατήρησης της ορμής μπορεί να γραφτεί σε διανυσματική μορφή ως:
Οι όροι ∇p, ∇∙τij και ρg στην παραπάνω εξίσωση αντιπροσωπεύουν την πίεση, το ιξώδες και τη βαρύτητα, αντίστοιχα.Τα ψυκτικά μέσα (αέρας, νερό, λάδι κ.λπ.) που χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά σε μηχανές θεωρούνται γενικά Νευτώνεια.Οι εξισώσεις που φαίνονται εδώ περιλαμβάνουν μόνο μια γραμμική σχέση μεταξύ της διατμητικής τάσης και μιας βαθμίδας ταχύτητας (ρυθμός παραμόρφωσης) κάθετη προς τη διεύθυνση διάτμησης.Λαμβάνοντας υπόψη το σταθερό ιξώδες και τη σταθερή ροή, η εξίσωση (12) μπορεί να αλλάξει σε 31:
Σύμφωνα με τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο, ο ρυθμός μεταβολής της ενέργειας ενός υγρού σωματιδίου είναι ίσος με το άθροισμα της καθαρής θερμότητας που παράγεται από το υγρό σωματίδιο και της καθαρής ισχύος που παράγεται από το υγρό σωματίδιο.Για μια συμπιεστή Νευτώνεια ιξώδη ροή, η εξίσωση διατήρησης ενέργειας μπορεί να εκφραστεί ως 31:
όπου Cp είναι η θερμοχωρητικότητα σε σταθερή πίεση και ο όρος ∇ ∙ (k∇T) σχετίζεται με τη θερμική αγωγιμότητα μέσω του ορίου της κυψέλης υγρού, όπου k υποδηλώνει τη θερμική αγωγιμότητα.Η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε θερμότητα εξετάζεται με όρους \(\varnothing\) (δηλαδή, τη συνάρτηση ιξώδους διάχυσης) και ορίζεται ως:
Όπου \(\rho\) είναι η πυκνότητα του υγρού, \(\mu\) είναι το ιξώδες του υγρού, u, v και w είναι το δυναμικό της κατεύθυνσης x, y, z της ταχύτητας του υγρού, αντίστοιχα.Αυτός ο όρος περιγράφει τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια και μπορεί να αγνοηθεί επειδή είναι σημαντικός μόνο όταν το ιξώδες του ρευστού είναι πολύ υψηλό και η κλίση της ταχύτητας του ρευστού είναι πολύ μεγάλη.Στην περίπτωση σταθερής ροής, σταθερής ειδικής θερμότητας και θερμικής αγωγιμότητας, η εξίσωση ενέργειας τροποποιείται ως εξής:
Αυτές οι βασικές εξισώσεις λύνονται για τη στρωτή ροή στο καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων.Ωστόσο, όπως και πολλά άλλα τεχνικά προβλήματα, η λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών συνδέεται κυρίως με τυρβώδεις ροές.Επομένως, αυτές οι εξισώσεις τροποποιούνται για να σχηματίσουν τη μέθοδο εξεύρεσης μέσου όρου Reynolds Navier-Stokes (RANS) για τη μοντελοποίηση αναταράξεων.
Σε αυτήν την εργασία, επιλέχθηκε το πρόγραμμα ANSYS FLUENT 2021 για μοντελοποίηση CFD με τις αντίστοιχες οριακές συνθήκες, όπως το εξεταζόμενο μοντέλο: ασύγχρονος κινητήρας με ψύξη αέρα χωρητικότητας 100 kW, διάμετρος ρότορα 80,80 mm, διάμετρος του στάτορα 83,56 mm (εσωτερικό) και 190 mm (εξωτερικό), διάκενο αέρα 1,38 mm, συνολικό μήκος 234 mm, ποσότητα , πάχος νευρώσεων 3 mm..
Στη συνέχεια, το μοντέλο αερόψυκτου κινητήρα SolidWorks εισάγεται στο ANSYS Fluent και προσομοιώνεται.Επιπλέον, τα αποτελέσματα που λαμβάνονται ελέγχονται για να διασφαλιστεί η ακρίβεια της προσομοίωσης που εκτελείται.Επιπλέον, μοντελοποιήθηκε ένας ενσωματωμένος αερόψυκτος και υδρόψυκτος IM χρησιμοποιώντας το λογισμικό SolidWorks 2017 και προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό ANSYS Fluent 2021 (Εικόνα 4).
Ο σχεδιασμός και οι διαστάσεις αυτού του μοντέλου είναι εμπνευσμένες από τη σειρά αλουμινίου 1LA9 της Siemens και έχουν διαμορφωθεί στο SolidWorks 2017. Το μοντέλο έχει τροποποιηθεί ελαφρώς για να ταιριάζει στις ανάγκες του λογισμικού προσομοίωσης.Τροποποιήστε τα μοντέλα CAD αφαιρώντας ανεπιθύμητα εξαρτήματα, αφαιρώντας φιλέτα, λοξοτομές και πολλά άλλα κατά τη μοντελοποίηση με το ANSYS Workbench 2021.
Μια σχεδιαστική καινοτομία είναι το τζάκετ νερού, το μήκος του οποίου καθορίστηκε από τα αποτελέσματα προσομοίωσης του πρώτου μοντέλου.Κάποιες αλλαγές έχουν γίνει στην προσομοίωση του water jacket για να έχετε τα καλύτερα αποτελέσματα κατά τη χρήση της μέσης στο ANSYS.Διάφορα μέρη του IM φαίνονται στην εικ.5α–στ.
(ΕΝΑ).Πυρήνας ρότορα και άξονας IM.(β) Πυρήνας στάτορα IM.(γ) Περιέλιξη στάτορα IM.(δ) Εξωτερικό πλαίσιο του ΜΙ.(ε) Μπουφάν νερού IM.στ) συνδυασμός μοντέλων IM με ψύξη αέρα και νερού.
Ο ανεμιστήρας που τοποθετείται στον άξονα παρέχει σταθερή ροή αέρα 10 m/s και θερμοκρασία 30 °C στην επιφάνεια των πτερυγίων.Η τιμή του ρυθμού επιλέγεται τυχαία ανάλογα με την ικανότητα της αρτηριακής πίεσης που αναλύεται σε αυτό το άρθρο, η οποία είναι μεγαλύτερη από αυτή που αναφέρεται στη βιβλιογραφία.Η θερμή ζώνη περιλαμβάνει τον ρότορα, τον στάτορα, τις περιελίξεις του στάτη και τις ράβδους κλωβού ρότορα.Τα υλικά του στάτορα και του ρότορα είναι χάλυβας, οι περιελίξεις και οι ράβδοι του κλωβού είναι χαλκός, το πλαίσιο και οι νευρώσεις είναι αλουμίνιο.Η θερμότητα που παράγεται σε αυτές τις περιοχές οφείλεται σε ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, όπως θέρμανση Joule όταν ένα εξωτερικό ρεύμα διέρχεται από ένα πηνίο χαλκού, καθώς και σε αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο.Οι ρυθμοί απελευθέρωσης θερμότητας των διαφόρων συστατικών λήφθηκαν από διάφορες βιβλιογραφίες που είναι διαθέσιμες για ένα IM 100 kW.
Οι ενσωματωμένοι αερόψυκτοι και υδρόψυκτοι IM, εκτός από τις παραπάνω συνθήκες, περιλάμβαναν επίσης ένα χιτώνιο νερού, στο οποίο αναλύθηκαν οι δυνατότητες μεταφοράς θερμότητας και οι απαιτήσεις ισχύος της αντλίας για διάφορους ρυθμούς ροής νερού (5 l/min, 10 l/min και 15 l/min).Αυτή η βαλβίδα επιλέχθηκε ως η ελάχιστη βαλβίδα, καθώς τα αποτελέσματα δεν άλλαξαν σημαντικά για ροές κάτω από 5 L/min.Επιπλέον, επιλέχθηκε ως μέγιστη τιμή παροχή 15 L/min, καθώς η ισχύς άντλησης αυξήθηκε σημαντικά παρά το γεγονός ότι η θερμοκρασία συνέχισε να πέφτει.
Διάφορα μοντέλα IM εισήχθησαν στο ANSYS Fluent και επεξεργάστηκαν περαιτέρω χρησιμοποιώντας το ANSYS Design Modeler.Περαιτέρω, ένα περίβλημα σε σχήμα κουτιού με διαστάσεις 0,3 × 0,3 × 0,5 m κατασκευάστηκε γύρω από το AD για να αναλύσει την κίνηση του αέρα γύρω από τον κινητήρα και να μελετήσει την απομάκρυνση της θερμότητας στην ατμόσφαιρα.Παρόμοιες αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν για ενσωματωμένους αερόψυκτους και υδρόψυκτους IM.
Το μοντέλο IM μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας αριθμητικές μεθόδους CFD και FEM.Τα πλέγματα είναι ενσωματωμένα σε CFD για να χωρίσουν έναν τομέα σε έναν ορισμένο αριθμό στοιχείων προκειμένου να βρεθεί μια λύση.Τα τετραεδρικά πλέγματα με κατάλληλα μεγέθη στοιχείων χρησιμοποιούνται για τη γενική σύνθετη γεωμετρία των εξαρτημάτων του κινητήρα.Όλες οι διεπαφές γεμίστηκαν με 10 στρώματα για να ληφθούν ακριβή αποτελέσματα μεταφοράς θερμότητας στην επιφάνεια.Η γεωμετρία πλέγματος δύο μοντέλων MI φαίνεται στο Σχ. .6α, β.
Η εξίσωση ενέργειας σάς επιτρέπει να μελετήσετε τη μεταφορά θερμότητας σε διάφορες περιοχές του κινητήρα.Το μοντέλο στροβιλισμού K-epsilon με τυπικές λειτουργίες τοιχώματος επιλέχθηκε για να μοντελοποιήσει τους στροβιλισμούς γύρω από την εξωτερική επιφάνεια.Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη την κινητική ενέργεια (Ek) και την τυρβώδη διασπορά (έψιλον).Ο χαλκός, το αλουμίνιο, ο χάλυβας, ο αέρας και το νερό επιλέχθηκαν για τις τυπικές τους ιδιότητες για χρήση στις αντίστοιχες εφαρμογές τους.Οι ρυθμοί απαγωγής θερμότητας (βλ. Πίνακα 2) δίνονται ως είσοδοι και οι διαφορετικές συνθήκες ζώνης μπαταρίας έχουν ρυθμιστεί σε 15, 17, 28, 32. Η ταχύτητα αέρα πάνω από το περίβλημα του κινητήρα ορίστηκε στα 10 m/s και για τα δύο μοντέλα κινητήρα και σε Επιπλέον, τρεις διαφορετικοί ρυθμοί νερού ελήφθησαν υπόψη για το χιτώνιο νερού (5 l/min, 10 l/min και 15 l/min).Για μεγαλύτερη ακρίβεια, τα υπόλοιπα για όλες τις εξισώσεις ορίστηκαν ίσα με 1 × 10–6.Επιλέξτε τον αλγόριθμο SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Equations) για να λύσετε τις εξισώσεις Navier Prime (NS).Αφού ολοκληρωθεί η υβριδική προετοιμασία, η εγκατάσταση θα εκτελέσει 500 επαναλήψεις, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7.
Ώρα δημοσίευσης: 24 Ιουλίου 2023