Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).I mellemtiden, for at sikre løbende support, viser vi siden uden stilarter og JavaScript.
På grund af motorens driftsomkostninger og levetid er en korrekt termisk styringsstrategi for motoren ekstremt vigtig.Denne artikel har udviklet en termisk styringsstrategi for induktionsmotorer for at give bedre holdbarhed og forbedre effektiviteten.Derudover blev der udført en omfattende gennemgang af litteraturen om motorkølemetoder.Som hovedresultat er givet en termisk beregning af en højeffekt luftkølet asynkronmotor under hensyntagen til det velkendte problem med varmefordeling.Derudover foreslår denne undersøgelse en integreret tilgang med to eller flere kølestrategier for at imødekomme aktuelle behov.En numerisk undersøgelse af en model af en 100 kW luftkølet asynkronmotor og en forbedret termisk styringsmodel af samme motor, hvor en væsentlig forøgelse af motoreffektiviteten opnås gennem en kombination af luftkøling og et integreret vandkølingssystem, er blevet udført. udført.Et integreret luftkølet og vandkølet system blev undersøgt ved brug af SolidWorks 2017 og ANSYS Fluent 2021 versioner.Tre forskellige vandstrømme (5 l/min, 10 l/min og 15 l/min) blev analyseret mod konventionelle luftkølede induktionsmotorer og verificeret ved hjælp af tilgængelige offentliggjorte ressourcer.Analysen viser, at vi for forskellige flowhastigheder (henholdsvis 5 L/min, 10 L/min og 15 L/min) opnåede tilsvarende temperaturreduktioner på 2,94%, 4,79% og 7,69%.Derfor viser resultaterne, at den indlejrede induktionsmotor effektivt kan reducere temperaturen sammenlignet med den luftkølede induktionsmotor.
Den elektriske motor er en af de vigtigste opfindelser af moderne ingeniørvidenskab.Elektriske motorer bruges i alt fra husholdningsapparater til køretøjer, herunder bil- og rumfartsindustrien.I de senere år er populariteten af induktionsmotorer (AM) steget på grund af deres høje startmoment, gode hastighedskontrol og moderate overbelastningskapacitet (fig. 1).Induktionsmotorer får ikke kun dine pærer til at lyse, de driver de fleste gadgets i dit hjem, lige fra din tandbørste til din Tesla.Mekanisk energi i IM skabes ved kontakten af magnetfeltet i statoren og rotorviklingerne.Derudover er IM en levedygtig mulighed på grund af det begrænsede udbud af sjældne jordarters metaller.Imidlertid er den største ulempe ved AD'er, at deres levetid og effektivitet er meget temperaturfølsomme.Induktionsmotorer forbruger omkring 40 % af verdens elektricitet, hvilket burde få os til at tro, at det er afgørende at styre disse maskiners strømforbrug.
Arrhenius-ligningen siger, at for hver 10°C stigning i driftstemperaturen halveres hele motorens levetid.Derfor, for at sikre pålideligheden og øge maskinens produktivitet, er det nødvendigt at være opmærksom på den termiske kontrol af blodtrykket.Tidligere er termisk analyse blevet forsømt, og motordesignere har kun overvejet problemet i periferien, baseret på designerfaring eller andre dimensionelle variabler såsom viklingsstrømtæthed osv. Disse tilgange fører til anvendelsen af store sikkerhedsmargener for værst- tilfælde af varmeforhold, hvilket resulterer i en stigning i maskinstørrelse og derfor en stigning i omkostningerne.
Der er to typer termisk analyse: analyse af klumpet kredsløb og numeriske metoder.Den største fordel ved analytiske metoder er evnen til at udføre beregninger hurtigt og præcist.Imidlertid skal der gøres en betydelig indsats for at definere kredsløb med tilstrækkelig nøjagtighed til at simulere termiske veje.På den anden side er numeriske metoder groft opdelt i computational fluid dynamics (CFD) og strukturel termisk analyse (STA), som begge bruger finite element analyse (FEA).Fordelen ved numerisk analyse er, at den giver dig mulighed for at modellere enhedens geometri.Systemopsætning og beregninger kan dog nogle gange være vanskelige.De videnskabelige artikler, der diskuteres nedenfor, er udvalgte eksempler på termisk og elektromagnetisk analyse af forskellige moderne induktionsmotorer.Disse artikler fik forfatterne til at studere termiske fænomener i asynkronmotorer og metoder til deres afkøling.
Pil-Wan Han1 var engageret i termisk og elektromagnetisk analyse af MI.Den klumpede kredsløbsanalysemetode bruges til termisk analyse, og den tidsvarierende magnetiske finite element-metode bruges til elektromagnetisk analyse.For korrekt at give termisk overbelastningsbeskyttelse i enhver industriel anvendelse skal temperaturen på statorviklingen estimeres pålideligt.Ahmed et al.2 foreslog en varmenetværksmodel af højere orden baseret på dybe termiske og termodynamiske overvejelser.Udviklingen af termiske modelleringsmetoder til industrielle termiske beskyttelsesformål drager fordel af analytiske løsninger og overvejelser om termiske parametre.
Nair et al.3 brugte en kombineret analyse af en 39 kW IM og en 3D numerisk termisk analyse til at forudsige den termiske fordeling i en elektrisk maskine.Ying et al.4 analyserede blæserkølede fuldt lukkede (TEFC) IM'er med 3D-temperaturestimering.Moon et al.5 undersøgte varmestrømningsegenskaberne for IM TEFC ved hjælp af CFD.LPTN-motorovergangsmodellen blev givet af Todd et al.6.Eksperimentelle temperaturdata bruges sammen med beregnede temperaturer afledt af den foreslåede LPTN-model.Peter et al.7 brugte CFD til at studere den luftstrøm, der påvirker elektriske motorers termiske opførsel.
Cabral et al8 foreslog en simpel IM termisk model, hvor maskinens temperatur blev opnået ved at anvende cylindervarmediffusionsligningen.Nategh et al.9 undersøgte et selvventileret traktionsmotorsystem ved hjælp af CFD til at teste nøjagtigheden af optimerede komponenter.Således kan numeriske og eksperimentelle undersøgelser bruges til at simulere termisk analyse af induktionsmotorer, se fig.2.
Yinye et al.10 foreslog et design til at forbedre termisk styring ved at udnytte de almindelige termiske egenskaber for standardmaterialer og almindelige kilder til tab af maskindele.Marco et al.11 præsenterede kriterier for design af kølesystemer og vandkapper til maskinkomponenter ved brug af CFD- og LPTN-modeller.Yaohui et al.12 giver forskellige retningslinjer for valg af en passende kølemetode og evaluering af ydeevne tidligt i designprocessen.Nell et al.13 foreslog at bruge modeller for koblet elektromagnetisk-termisk simulering for et givet værdiområde, detaljeringsgrad og beregningskraft for et multifysisk problem.Jean et al.14 og Kim et al.15 undersøgte temperaturfordelingen af en luftkølet induktionsmotor ved hjælp af et 3D-koblet FEM-felt.Beregn inputdata ved hjælp af 3D hvirvelstrømsfeltanalyse for at finde Joule-tab og bruge dem til termisk analyse.
Michel et al.16 sammenlignede konventionelle centrifugale køleventilatorer med aksialventilatorer af forskelligt design gennem simuleringer og eksperimenter.Et af disse designs opnåede små, men betydelige forbedringer i motorens effektivitet, samtidig med at den samme driftstemperatur blev opretholdt.
Lu et al.17 brugte den tilsvarende magnetiske kredsløbsmetode i kombination med Boglietti-modellen til at estimere jerntab på akslen af en induktionsmotor.Forfatterne antager, at fordelingen af magnetisk fluxtæthed i ethvert tværsnit inde i spindelmotoren er ensartet.De sammenlignede deres metode med resultaterne af finite element-analyse og eksperimentelle modeller.Denne metode kan bruges til ekspresanalyse af MI, men dens nøjagtighed er begrænset.
18 præsenterer forskellige metoder til at analysere det elektromagnetiske felt af lineære induktionsmotorer.Blandt dem beskrives metoder til at estimere effekttab i reaktive skinner og metoder til at forudsige temperaturstigningen af traktionslineære induktionsmotorer.Disse metoder kan bruges til at forbedre energikonverteringseffektiviteten af lineære induktionsmotorer.
Zabdur et al.19 undersøgte ydeevnen af kølejakker ved hjælp af en tredimensionel numerisk metode.Kølekappen bruger vand som hovedkilden til kølevæske til den trefasede IM, hvilket er vigtigt for den effekt og de maksimale temperaturer, der kræves til pumpning.Rippel et al.20 har patenteret en ny tilgang til væskekølesystemer kaldet tværgående lamineret køling, hvor kølemidlet strømmer på tværs gennem smalle områder dannet af huller i hinanden magnetisk laminering.Deriszade et al.21 eksperimentelt undersøgt køling af traktionsmotorer i bilindustrien ved hjælp af en blanding af ethylenglycol og vand.Evaluer ydeevnen af forskellige blandinger med CFD og 3D turbulent væskeanalyse.Et simuleringsstudie af Boopathi et al.22 viste, at temperaturområdet for vandkølede motorer (17-124°C) er væsentligt mindre end for luftkølede motorer (104-250°C).Den maksimale temperatur på den vandkølede aluminiumsmotor reduceres med 50,4 %, og den maksimale temperatur på den vandkølede PA6GF30-motor er reduceret med 48,4 %.Bezukov et al.23 evaluerede effekten af kalkdannelse på den termiske ledningsevne af motorvæggen med et væskekølesystem.Undersøgelser har vist, at en 1,5 mm tyk oxidfilm reducerer varmeoverførslen med 30 %, øger brændstofforbruget og reducerer motoreffekten.
Tanguy et al.24 udførte eksperimenter med forskellige strømningshastigheder, olietemperaturer, rotationshastigheder og indsprøjtningstilstande for elektriske motorer, der anvender smøreolie som kølemiddel.Der er etableret et stærkt forhold mellem flowhastighed og overordnet køleeffektivitet.Ha et al.25 foreslog at bruge drypdyser som dyser for jævnt at fordele oliefilmen og maksimere motorens køleeffektivitet.
Nandi et al.26 analyserede effekten af L-formede flade varmerør på motorens ydeevne og termisk styring.Varmerørsfordamperdelen er installeret i motorhuset eller begravet i motorakslen, og kondensatordelen installeres og afkøles af cirkulerende væske eller luft.Bellettre et al.27 studerede et PCM fast-væske kølesystem til en transient motorstator.PCM'et imprægnerer viklingshovederne og sænker hotspot-temperaturen ved at lagre latent termisk energi.
Således evalueres motorydelse og temperatur ved hjælp af forskellige kølestrategier, se fig.3. Disse kølekredsløb er designet til at styre temperaturen af viklinger, plader, viklingshoveder, magneter, karkasse og endeplader.
Væskekølesystemer er kendt for deres effektive varmeoverførsel.Men at pumpe kølevæske rundt om motoren bruger meget energi, hvilket reducerer motorens effektive effekt.Luftkølesystemer er på den anden side en meget brugt metode på grund af deres lave omkostninger og lette opgradering.Det er dog stadig mindre effektivt end flydende kølesystemer.Der er behov for en integreret tilgang, der kan kombinere den høje varmeoverførselsydelse af et væskekølet system med de lave omkostninger ved et luftkølet system uden at forbruge yderligere energi.
Denne artikel oplister og analyserer varmetab i AD.Mekanismen bag dette problem, såvel som opvarmning og afkøling af induktionsmotorer, er forklaret i afsnittet om varmetab i induktionsmotorer gennem kølestrategier.Varmetabet af kernen i en induktionsmotor omdannes til varme.Derfor diskuterer denne artikel mekanismen for varmeoverførsel inde i motoren ved ledning og tvungen konvektion.Termisk modellering af IM ved hjælp af kontinuitetsligninger, Navier-Stokes/momentum-ligninger og energiligninger er rapporteret.Forskerne udførte analytiske og numeriske termiske undersøgelser af IM for at estimere temperaturen på statorviklingerne med det ene formål at kontrollere det termiske regime af den elektriske motor.Denne artikel fokuserer på termisk analyse af luftkølede IM'er og termisk analyse af integrerede luftkølede og vandkølede IM'er ved hjælp af CAD-modellering og ANSYS Fluent simulering.Og de termiske fordele ved den integrerede forbedrede model af luftkølede og vandkølede systemer er dybt analyseret.Som nævnt ovenfor er de dokumenter, der er anført her, ikke et resumé af det nyeste inden for termiske fænomener og afkøling af induktionsmotorer, men de indikerer mange problemer, der skal løses for at sikre pålidelig drift af induktionsmotorer .
Varmetab opdeles normalt i kobbertab, jerntab og friktion/mekanisk tab.
Kobbertab er resultatet af Joule-opvarmning på grund af lederens resistivitet og kan kvantificeres som 10,28:
hvor q̇g er den genererede varme, I og Ve er henholdsvis den nominelle strøm og spænding, og Re er kobbermodstanden.
Jerntab, også kendt som parasittab, er den anden hovedtype tab, der forårsager hysterese og hvirvelstrømstab i AM, hovedsageligt forårsaget af det tidsvarierende magnetfelt.De kvantificeres af den udvidede Steinmetz-ligning, hvis koefficienter kan betragtes som konstante eller variable afhængigt af driftsbetingelser10,28,29.
hvor Khn er hysteresetabsfaktoren afledt af kernetabsdiagrammet, Ken er hvirvelstrømstabsfaktoren, N er det harmoniske indeks, Bn og f er henholdsvis den maksimale fluxtæthed og frekvensen af den ikke-sinusformede excitation.Ovenstående ligning kan yderligere forenkles som følger10,29:
Blandt dem er K1 og K2 henholdsvis kernetabsfaktoren og hvirvelstrømstab (qec), hysteresetab (qh) og overskydende tab (qex).
Vindbelastning og friktionstab er de to hovedårsager til mekaniske tab i IM.Vind- og friktionstab er 10,
I formlen er n rotationshastigheden, Kfb er koefficienten for friktionstab, D er rotorens ydre diameter, l er rotorens længde, G er rotorens 10 vægt.
Den primære mekanisme til varmeoverførsel i motoren er via ledning og intern opvarmning, som bestemt af Poisson-ligningen30 anvendt på dette eksempel:
Under drift, efter et vist tidspunkt, hvor motoren når stabil tilstand, kan den genererede varme tilnærmes ved en konstant opvarmning af overfladevarmefluxen.Derfor kan det antages, at ledningen inde i motoren udføres med frigivelse af intern varme.
Varmeoverførslen mellem finnerne og den omgivende atmosfære betragtes som tvungen konvektion, når væsken tvinges til at bevæge sig i en bestemt retning af en ekstern kraft.Konvektion kan udtrykkes som 30:
hvor h er varmeoverførselskoefficienten (W/m2 K), A er overfladearealet, og ΔT er temperaturforskellen mellem varmeoverførselsfladen og kølemidlet vinkelret på overfladen.Nusselt-tallet (Nu) er et mål for forholdet mellem konvektiv og ledende varmeoverførsel vinkelret på grænsen og er valgt ud fra egenskaberne ved laminær og turbulent strømning.Ifølge den empiriske metode er Nusselt-tallet for turbulent flow normalt forbundet med Reynolds-tallet og Prandtl-tallet, udtrykt som 30:
hvor h er den konvektive varmeoverførselskoefficient (W/m2 K), l er den karakteristiske længde, λ er væskens varmeledningsevne (W/m K), og Prandtl-tallet (Pr) er et mål for forholdet mellem impulsdiffusionskoefficienten til den termiske diffusivitet (eller hastighed og relativ tykkelse af det termiske grænselag), defineret som 30:
hvor k og cp er henholdsvis væskens varmeledningsevne og specifikke varmekapacitet.Generelt er luft og vand de mest almindelige kølemidler til elmotorer.Væskeegenskaberne af luft og vand ved omgivelsestemperatur er vist i tabel 1.
IM termisk modellering er baseret på følgende antagelser: 3D steady state, turbulent flow, luft er en ideel gas, ubetydelig stråling, newtonsk væske, inkompressibel væske, skridsikker tilstand og konstante egenskaber.Derfor bruges følgende ligninger til at opfylde lovene om bevarelse af masse, momentum og energi i væskeområdet.
I det generelle tilfælde er massebevarelsesligningen lig med nettomassestrømmen ind i cellen med væske, bestemt af formlen:
Ifølge Newtons anden lov er ændringshastigheden for en væskepartikels bevægelsesmængde lig med summen af de kræfter, der virker på den, og den generelle bevægelsesbevarelsesligning kan skrives i vektorform som:
Udtrykkene ∇p, ∇∙τij og ρg i ovenstående ligning repræsenterer henholdsvis tryk, viskositet og tyngdekraft.Kølemedier (luft, vand, olie osv.), der bruges som kølemidler i maskiner, anses generelt for at være newtonske.De her viste ligninger inkluderer kun et lineært forhold mellem forskydningsspænding og en hastighedsgradient (strain rate) vinkelret på forskydningsretningen.I betragtning af konstant viskositet og konstant flow kan ligning (12) ændres til 31:
Ifølge termodynamikkens første lov er ændringshastigheden i en væskepartikels energi lig med summen af nettovarmen genereret af væskepartikelen og nettoeffekten produceret af væskepartikelen.For en Newtonsk komprimerbar viskøs strømning kan energibevarelsesligningen udtrykkes som 31:
hvor Cp er varmekapaciteten ved konstant tryk, og udtrykket ∇ ∙ (k∇T) er relateret til den termiske ledningsevne gennem væskecellegrænsen, hvor k betegner den termiske ledningsevne.Omdannelsen af mekanisk energi til varme betragtes som \(\varnothing\) (dvs. den viskøse dissipationsfunktion) og er defineret som:
Hvor \(\rho\) er væskens massefylde, \(\mu\) er væskens viskositet, u, v og w er potentialet for henholdsvis retningen x, y, z af væskehastigheden.Dette udtryk beskriver omdannelsen af mekanisk energi til termisk energi og kan ignoreres, fordi det kun er vigtigt, når væskens viskositet er meget høj, og væskens hastighedsgradient er meget stor.I tilfælde af konstant flow, konstant specifik varme og termisk ledningsevne modificeres energiligningen som følger:
Disse grundlæggende ligninger er løst for laminar flow i det kartesiske koordinatsystem.Men ligesom mange andre tekniske problemer er driften af elektriske maskiner primært forbundet med turbulente strømme.Derfor er disse ligninger modificeret til at danne Reynolds Navier-Stokes (RANS) middelmetode til turbulensmodellering.
I dette arbejde blev ANSYS FLUENT 2021-programmet til CFD-modellering med de tilsvarende randbetingelser valgt, såsom den betragtede model: en asynkronmotor med en luftkøling med en kapacitet på 100 kW, rotorens diameter 80,80 mm, diameteren af statoren 83,56 mm (indvendig) og 190 mm (udvendig), en luftspalte på 1,38 mm, den samlede længde på 234 mm, mængden , tykkelsen af ribberne 3 mm..
SolidWorks luftkølede motormodel importeres derefter til ANSYS Fluent og simuleres.Derudover kontrolleres de opnåede resultater for at sikre nøjagtigheden af den udførte simulering.Derudover blev en integreret luft- og vandkølet IM modelleret ved hjælp af SolidWorks 2017-software og simuleret ved hjælp af ANSYS Fluent 2021-software (figur 4).
Designet og dimensionerne på denne model er inspireret af Siemens 1LA9 aluminium serien og modelleret i SolidWorks 2017. Modellen er blevet en smule modificeret, så den passer til simuleringssoftwarens behov.Rediger CAD-modeller ved at fjerne uønskede dele, fjerne fileter, affasninger og mere, når du modellerer med ANSYS Workbench 2021.
En designinnovation er vandjakken, hvis længde blev bestemt ud fra simuleringsresultaterne af den første model.Der er lavet nogle ændringer i vandjakkesimuleringen for at få de bedste resultater ved brug af taljen i ANSYS.Forskellige dele af IM er vist i fig.5a-f.
(EN).Rotorkerne og IM-aksel.(b) IM statorkerne.(c) IM statorvikling.(d) Udvendig ramme af MI.(e) IM-vandjakke.f) kombination af luft- og vandkølede IM-modeller.
Den akselmonterede ventilator giver en konstant luftstrøm på 10 m/s og en temperatur på 30 °C på overfladen af finnerne.Værdien af hastigheden er valgt tilfældigt afhængigt af kapaciteten af blodtrykket analyseret i denne artikel, hvilket er større end det, der er angivet i litteraturen.Den varme zone omfatter rotor, stator, statorviklinger og rotorholderstænger.Materialerne til statoren og rotoren er stål, viklingerne og burstængerne er kobber, rammen og ribberne er aluminium.Den varme, der genereres i disse områder, skyldes elektromagnetiske fænomener, såsom Joule-opvarmning, når en ekstern strøm føres gennem en kobberspole, samt ændringer i magnetfeltet.Varmefrigivelseshastighederne for de forskellige komponenter blev taget fra forskellig litteratur tilgængelig for en 100 kW IM.
Integrerede luftkølede og vandkølede IM'er omfattede udover ovenstående betingelser også en vandkappe, hvor varmeoverførselsevnen og pumpeeffektbehovet blev analyseret for forskellige vandstrømningshastigheder (5 l/min, 10 l/min. og 15 l/min).Denne ventil blev valgt som minimumsventil, da resultaterne ikke ændrede sig væsentligt for flows under 5 l/min.Derudover blev der valgt en flowhastighed på 15 L/min som maksimumværdi, da pumpeeffekten steg markant på trods af, at temperaturen fortsatte med at falde.
Forskellige IM-modeller blev importeret til ANSYS Fluent og yderligere redigeret ved hjælp af ANSYS Design Modeler.Yderligere blev et kasseformet kabinet med dimensioner på 0,3 × 0,3 × 0,5 m bygget omkring AD for at analysere luftens bevægelse omkring motoren og studere fjernelse af varme til atmosfæren.Lignende analyser blev udført for integrerede luft- og vandkølede IM'er.
IM-modellen er modelleret ved hjælp af CFD- og FEM-numeriske metoder.Mesh er indbygget i CFD for at opdele et domæne i et bestemt antal komponenter for at finde en løsning.Tetraedriske masker med passende elementstørrelser bruges til generel kompleks geometri af motorkomponenter.Alle grænseflader blev fyldt med 10 lag for at opnå nøjagtige overfladevarmeoverførselsresultater.Gittergeometrien af to MI-modeller er vist i fig.6a, b.
Energiligningen giver dig mulighed for at studere varmeoverførsel i forskellige områder af motoren.K-epsilon turbulensmodellen med standard vægfunktioner blev valgt til at modellere turbulens omkring den ydre overflade.Modellen tager højde for kinetisk energi (Ek) og turbulent dissipation (epsilon).Kobber, aluminium, stål, luft og vand blev udvalgt for deres standardegenskaber til brug i deres respektive applikationer.Varmeafledningshastigheder (se tabel 2) er angivet som input, og forskellige batterizoneforhold er sat til 15, 17, 28, 32. Lufthastigheden over motorhuset blev sat til 10 m/s for begge motormodeller, og i derudover blev der taget højde for tre forskellige vandmængder for vandkappen (5 l/min, 10 l/min og 15 l/min).For større nøjagtighed blev residualerne for alle ligninger sat lig med 1 × 10-6.Vælg SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Equations) algoritmen for at løse Navier Prime (NS) ligningerne.Efter hybridinitialisering er færdig, vil opsætningen køre 500 iterationer, som vist i figur 7.
Indlægstid: 24-jul-2023