Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Under tiden, för att säkerställa kontinuerlig support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
På grund av motorns driftskostnader och livslängd är en korrekt strategi för motorvärmehantering extremt viktig.Den här artikeln har utvecklat en termisk hanteringsstrategi för induktionsmotorer för att ge bättre hållbarhet och förbättra effektiviteten.Dessutom gjordes en omfattande genomgång av litteraturen om motorkylningsmetoder.Som huvudresultat ges en termisk beräkning av en luftkyld asynkronmotor med hög effekt, med hänsyn till det välkända problemet med värmefördelning.Dessutom föreslår denna studie ett integrerat tillvägagångssätt med två eller flera kylningsstrategier för att möta nuvarande behov.En numerisk studie av en modell av en 100 kW luftkyld asynkronmotor och en förbättrad termisk hanteringsmodell av samma motor, där en betydande ökning av motoreffektiviteten uppnås genom en kombination av luftkylning och ett integrerat vattenkylningssystem, har gjorts. utförd.Ett integrerat luftkylt och vattenkylt system studerades med SolidWorks 2017 och ANSYS Fluent 2021 versioner.Tre olika vattenflöden (5 l/min, 10 l/min och 15 l/min) analyserades mot konventionella luftkylda induktionsmotorer och verifierades med tillgängliga publicerade resurser.Analysen visar att för olika flödeshastigheter (5 L/min, 10 L/min respektive 15 L/min) fick vi motsvarande temperatursänkningar på 2,94 %, 4,79 % och 7,69 %.Därför visar resultaten att den inbyggda induktionsmotorn effektivt kan sänka temperaturen jämfört med den luftkylda induktionsmotorn.
Elmotorn är en av de viktigaste uppfinningarna inom modern ingenjörsvetenskap.Elmotorer används i allt från hushållsapparater till fordon, inklusive fordons- och flygindustrin.På senare år har populariteten för induktionsmotorer (AM) ökat på grund av deras höga startmoment, goda hastighetskontroll och måttliga överbelastningskapacitet (Fig. 1).Induktionsmotorer får inte bara dina glödlampor att lysa, de driver de flesta prylarna i ditt hem, från din tandborste till din Tesla.Mekanisk energi i IM skapas av kontakten mellan statorns och rotorlindningarnas magnetfält.Dessutom är IM ett gångbart alternativ på grund av det begränsade utbudet av sällsynta jordartsmetaller.Den största nackdelen med AD är dock att deras livslängd och effektivitet är mycket temperaturkänsliga.Induktionsmotorer förbrukar cirka 40 % av världens elektricitet, vilket borde få oss att tro att det är avgörande att hantera strömförbrukningen för dessa maskiner.
Arrhenius-ekvationen säger att för varje 10°C ökning av driftstemperaturen halveras hela motorns livslängd.Därför, för att säkerställa tillförlitligheten och öka maskinens produktivitet, är det nödvändigt att uppmärksamma den termiska kontrollen av blodtrycket.Tidigare har termisk analys försummats och motorkonstruktörer har endast övervägt problemet i periferin, baserat på designerfarenhet eller andra dimensionella variabler såsom lindningsströmtäthet, etc. Dessa tillvägagångssätt leder till tillämpning av stora säkerhetsmarginaler för värsta- uppvärmningsförhållanden, vilket resulterar i en ökning av maskinens storlek och därför en ökning av kostnaden.
Det finns två typer av termisk analys: analys av klumpade kretsar och numeriska metoder.Den största fördelen med analytiska metoder är förmågan att utföra beräkningar snabbt och exakt.Emellertid måste avsevärda ansträngningar göras för att definiera kretsar med tillräcklig noggrannhet för att simulera termiska banor.Å andra sidan är numeriska metoder grovt uppdelade i beräkningsvätskedynamik (CFD) och strukturell termisk analys (STA), som båda använder finita elementanalys (FEA).Fördelen med numerisk analys är att den låter dig modellera enhetens geometri.Systeminstallation och beräkningar kan dock ibland vara svåra.De vetenskapliga artiklarna som diskuteras nedan är utvalda exempel på termisk och elektromagnetisk analys av olika moderna induktionsmotorer.Dessa artiklar fick författarna att studera termiska fenomen i asynkronmotorer och metoder för deras kylning.
Pil-Wan Han1 var engagerad i termisk och elektromagnetisk analys av MI.Analysmetoden för klumpade kretsar används för termisk analys och den tidsvarierande magnetiska finita elementmetoden används för elektromagnetisk analys.För att korrekt ge termiskt överbelastningsskydd i alla industriella tillämpningar måste temperaturen på statorlindningen uppskattas tillförlitligt.Ahmed et al.2 föreslog en högre ordningens värmenätsmodell baserad på djupa termiska och termodynamiska överväganden.Utvecklingen av termiska modelleringsmetoder för industriella termiska skyddsändamål drar nytta av analytiska lösningar och hänsyn till termiska parametrar.
Nair et al.3 använde en kombinerad analys av en 39 kW IM och en 3D numerisk termisk analys för att förutsäga den termiska fördelningen i en elektrisk maskin.Ying et al.4 analyserade fläktkylda helt inneslutna (TEFC) IM med 3D temperaturuppskattning.Moon et al.5 studerade värmeflödesegenskaperna hos IM TEFC med CFD.LPTN-motorövergångsmodellen gavs av Todd et al.6.Experimentella temperaturdata används tillsammans med beräknade temperaturer härledda från den föreslagna LPTN-modellen.Peter et al.7 använde CFD för att studera luftflödet som påverkar det termiska beteendet hos elmotorer.
Cabral et al8 föreslog en enkel IM termisk modell där maskintemperaturen erhölls genom att tillämpa cylindervärmediffusionsekvationen.Nategh et al.9 studerade ett självventilerat dragmotorsystem som använder CFD för att testa noggrannheten hos optimerade komponenter.Således kan numeriska och experimentella studier användas för att simulera termisk analys av induktionsmotorer, se fig.2.
Yinye et al.10 föreslog en design för att förbättra värmehanteringen genom att utnyttja de vanliga termiska egenskaperna hos standardmaterial och vanliga källor till förlust av maskindelar.Marco et al.11 presenterade kriterier för design av kylsystem och vattenmantel för maskinkomponenter med CFD- och LPTN-modeller.Yaohui et al.12 tillhandahåller olika riktlinjer för att välja en lämplig kylmetod och utvärdera prestanda tidigt i designprocessen.Nell et al.13 föreslog att man skulle använda modeller för kopplad elektromagnetisk-termisk simulering för ett givet värdeintervall, detaljnivå och beräkningskraft för ett multifysiskt problem.Jean et al.14 och Kim et al.15 studerade temperaturfördelningen hos en luftkyld induktionsmotor med hjälp av ett 3D-kopplat FEM-fält.Beräkna indata med hjälp av 3D-virvelströmsfältanalys för att hitta Joule-förluster och använda dem för termisk analys.
Michel et al.16 jämförde konventionella centrifugalfläktar med axialfläktar av olika utförande genom simuleringar och experiment.En av dessa konstruktioner uppnådde små men betydande förbättringar i motoreffektivitet samtidigt som samma driftstemperatur bibehölls.
Lu et al.17 använde den ekvivalenta magnetkretsmetoden i kombination med Boglietti-modellen för att uppskatta järnförluster på axeln till en induktionsmotor.Författarna antar att fördelningen av magnetisk flödestäthet i valfritt tvärsnitt inuti spindelmotorn är enhetlig.De jämförde sin metod med resultaten av finita elementanalys och experimentella modeller.Denna metod kan användas för uttrycklig analys av MI, men dess noggrannhet är begränsad.
18 presenterar olika metoder för att analysera det elektromagnetiska fältet hos linjära induktionsmotorer.Bland dem beskrivs metoder för att uppskatta effektförluster i reaktiva skenor och metoder för att förutsäga temperaturökningen hos linjära induktionsmotorer för dragkraft.Dessa metoder kan användas för att förbättra energiomvandlingseffektiviteten hos linjära induktionsmotorer.
Zabdur et al.19 undersökte prestanda hos kyljackor med en tredimensionell numerisk metod.Kylmanteln använder vatten som huvudkälla för kylvätska för trefas IM, vilket är viktigt för den effekt och maximala temperaturer som krävs för pumpning.Rippel et al.20 har patenterat ett nytt tillvägagångssätt för vätskekylningssystem som kallas transversell laminerad kylning, där köldmediet strömmar tvärs genom smala områden som bildas av hål i varandras magnetiska laminering.Deriszade et al.21 experimentellt undersökt kylning av traktionsmotorer i bilindustrin med en blandning av etylenglykol och vatten.Utvärdera prestanda för olika blandningar med CFD och 3D turbulent vätskeanalys.En simuleringsstudie av Boopathi et al.22 visade att temperaturområdet för vattenkylda motorer (17-124°C) är betydligt mindre än för luftkylda motorer (104-250°C).Den maximala temperaturen för den vattenkylda aluminiummotorn sänks med 50,4 %, och den maximala temperaturen för den vattenkylda PA6GF30-motorn sänks med 48,4 %.Bezukov et al.23 utvärderade effekten av skalbildning på den termiska konduktiviteten hos motorväggen med ett vätskekylningssystem.Studier har visat att en 1,5 mm tjock oxidfilm minskar värmeöverföringen med 30 %, ökar bränsleförbrukningen och minskar motoreffekten.
Tanguy et al.24 genomförde experiment med olika flödeshastigheter, oljetemperaturer, rotationshastigheter och insprutningslägen för elmotorer som använder smörjolja som kylmedel.Ett starkt samband har etablerats mellan flödeshastighet och total kyleffektivitet.Ha et al.25 föreslog att man skulle använda droppmunstycken som munstycken för att jämnt fördela oljefilmen och maximera motorns kylningseffektivitet.
Nandi et al.26 analyserade effekten av L-formade platta värmerör på motorns prestanda och värmehantering.Värmerörsförångardelen är installerad i motorhöljet eller begravd i motoraxeln, och kondensordelen installeras och kyls av cirkulerande vätska eller luft.Bellettre et al.27 studerade ett PCM fast-vätskekylningssystem för en transient motorstator.PCM impregnerar lindningshuvudena, sänker temperaturen på hot spot genom att lagra latent värmeenergi.
Således utvärderas motorprestanda och temperatur med olika kylningsstrategier, se fig.3. Dessa kylkretsar är utformade för att styra temperaturen på lindningar, plattor, lindningshuvuden, magneter, stomme och ändplattor.
Vätskekylsystem är kända för sin effektiva värmeöverföring.Men att pumpa kylvätska runt motorn förbrukar mycket energi, vilket minskar motorns effektiva effekt.Luftkylningssystem, å andra sidan, är en mycket använd metod på grund av deras låga kostnad och enkla uppgradering.Det är dock fortfarande mindre effektivt än flytande kylsystem.Det behövs ett integrerat tillvägagångssätt som kan kombinera den höga värmeöverföringsprestandan hos ett vätskekylt system med den låga kostnaden för ett luftkylt system utan att förbruka ytterligare energi.
Denna artikel listar och analyserar värmeförluster i AD.Mekanismen för detta problem, såväl som uppvärmning och kylning av induktionsmotorer, förklaras i avsnittet Värmeförlust i induktionsmotorer genom kylningsstrategier.Värmeförlusten i kärnan i en induktionsmotor omvandlas till värme.Därför diskuterar den här artikeln mekanismen för värmeöverföring inuti motorn genom ledning och forcerad konvektion.Termisk modellering av IM med hjälp av kontinuitetsekvationer, Navier-Stokes/momentekvationer och energiekvationer rapporteras.Forskarna utförde analytiska och numeriska termiska studier av IM för att uppskatta temperaturen på statorlindningarna i det enda syftet att kontrollera elmotorns termiska regime.Den här artikeln fokuserar på termisk analys av luftkylda IM och termisk analys av integrerade luftkylda och vattenkylda IM med CAD-modellering och ANSYS Fluent-simulering.Och de termiska fördelarna med den integrerade förbättrade modellen av luftkylda och vattenkylda system analyseras djupt.Som nämnts ovan är dokumenten som listas här inte en sammanfattning av den senaste tekniken inom området termiska fenomen och kylning av induktionsmotorer, men de indikerar många problem som måste lösas för att säkerställa tillförlitlig drift av induktionsmotorer .
Värmeförluster brukar delas in i kopparförlust, järnförlust och friktion/mekanisk förlust.
Kopparförluster är resultatet av Joule-uppvärmning på grund av ledarens resistivitet och kan kvantifieras som 10,28:
där q̇g är värmen som genereras, I och Ve är den nominella strömmen respektive spänningen, och Re är kopparresistansen.
Järnförlust, även känd som parasitförlust, är den andra huvudtypen av förlust som orsakar hysteres och virvelströmsförluster i AM, främst orsakade av det tidsvarierande magnetfältet.De kvantifieras av den utökade Steinmetz-ekvationen, vars koefficienter kan anses vara konstanta eller variabla beroende på driftsförhållanden10,28,29.
där Khn är hysteresförlustfaktorn härledd från kärnförlustdiagrammet, Ken är virvelströmsförlustfaktorn, N är det harmoniska indexet, Bn och f är toppflödestätheten respektive frekvensen för den icke-sinusformade exciteringen.Ovanstående ekvation kan ytterligare förenklas enligt följande10,29:
Bland dem är K1 och K2 kärnförlustfaktorn och virvelströmsförlust (qec), hysteresförlust (qh) respektive överskottsförlust (qex).
Vindlast och friktionsförluster är de två huvudsakliga orsakerna till mekaniska förluster i IM.Vind- och friktionsförluster är 10,
I formeln är n rotationshastigheten, Kfb är friktionsförlustkoefficienten, D är ytterdiametern på rotorn, l är längden på rotorn, G är vikten på rotorn 10.
Den primära mekanismen för värmeöverföring i motorn är via ledning och intern uppvärmning, vilket bestäms av Poisson-ekvationen30 som tillämpas på detta exempel:
Under drift, efter en viss tidpunkt när motorn når stationärt tillstånd, kan värmen som genereras approximeras genom en konstant uppvärmning av ytvärmeflödet.Därför kan det antas att ledningen inuti motorn utförs med frigöring av intern värme.
Värmeöverföringen mellan fenorna och den omgivande atmosfären betraktas som forcerad konvektion, när vätskan tvingas röra sig i en viss riktning av en yttre kraft.Konvektion kan uttryckas som 30:
där h är värmeöverföringskoefficienten (W/m2 K), A är ytarean och ΔT är temperaturskillnaden mellan värmeöverföringsytan och köldmediet vinkelrätt mot ytan.Nusselttalet (Nu) är ett mått på förhållandet mellan konvektiv och ledande värmeöverföring vinkelrätt mot gränsen och väljs utifrån egenskaperna hos laminärt och turbulent flöde.Enligt den empiriska metoden är Nusselt-talet för turbulent flöde vanligtvis associerat med Reynolds-talet och Prandtl-talet, uttryckt som 30:
där h är den konvektiva värmeöverföringskoefficienten (W/m2 K), l är den karakteristiska längden, λ är vätskans värmeledningsförmåga (W/m K), och Prandtl-talet (Pr) är ett mått på förhållandet mellan momentumdiffusionskoefficienten till termisk diffusivitet (eller hastighet och relativ tjocklek av det termiska gränsskiktet), definierad som 30:
där k och cp är vätskans värmeledningsförmåga respektive specifik värmekapacitet.Generellt sett är luft och vatten de vanligaste kylmedierna för elmotorer.Vätskeegenskaperna för luft och vatten vid omgivningstemperatur visas i tabell 1.
IM termisk modellering är baserad på följande antaganden: 3D-steady state, turbulent flöde, luft är en idealisk gas, försumbar strålning, newtonsk vätska, inkompressibel vätska, halkfritt tillstånd och konstanta egenskaper.Därför används följande ekvationer för att uppfylla lagarna för bevarande av massa, rörelsemängd och energi i vätskeområdet.
I det allmänna fallet är masskonserveringsekvationen lika med nettomassflödet in i cellen med vätska, bestämt av formeln:
Enligt Newtons andra lag är förändringshastigheten för en vätskepartikels rörelsemängd lika med summan av de krafter som verkar på den, och den allmänna rörelsemängdsekvationen kan skrivas i vektorform som:
Termerna ∇p, ∇∙τij och ρg i ovanstående ekvation representerar tryck, viskositet respektive gravitation.Kylmedier (luft, vatten, olja etc.) som används som kylmedel i maskiner anses generellt vara newtonska.Ekvationerna som visas här inkluderar endast ett linjärt samband mellan skjuvspänning och en hastighetsgradient (töjningshastighet) vinkelrät mot skjuvriktningen.Med tanke på konstant viskositet och konstant flöde kan ekvation (12) ändras till 31:
Enligt termodynamikens första lag är förändringshastigheten i en vätskepartikels energi lika med summan av nettovärmen som genereras av vätskepartikeln och nettoeffekten som produceras av vätskepartikeln.För ett Newtonskt komprimerbart viskös flöde kan energikonserveringsekvationen uttryckas som31:
där Cp är värmekapaciteten vid konstant tryck, och termen ∇ ∙ (k∇T) är relaterad till värmeledningsförmågan genom vätskecellsgränsen, där k betecknar värmeledningsförmågan.Omvandlingen av mekanisk energi till värme betraktas i termer av \(\varnothing\) (dvs. den viskösa avledningsfunktionen) och definieras som:
Där \(\rho\) är vätskans densitet, \(\mu\) är vätskans viskositet, u, v och w är potentialen för riktningen x, y, z för vätskehastigheten.Denna term beskriver omvandlingen av mekanisk energi till termisk energi och kan ignoreras eftersom det endast är viktigt när vätskans viskositet är mycket hög och vätskans hastighetsgradient är mycket stor.I fallet med konstant flöde, konstant specifik värme och värmeledningsförmåga, modifieras energiekvationen enligt följande:
Dessa grundläggande ekvationer löses för laminärt flöde i det kartesiska koordinatsystemet.Men liksom många andra tekniska problem är driften av elektriska maskiner i första hand förknippad med turbulenta flöden.Därför modifieras dessa ekvationer för att bilda Reynolds Navier-Stokes (RANS) medelvärdesmetoden för turbulensmodellering.
I detta arbete valdes ANSYS FLUENT 2021-programmet för CFD-modellering med motsvarande randvillkor, såsom den övervägda modellen: en asynkronmotor med en luftkylning med en kapacitet på 100 kW, rotorns diameter 80,80 mm, diametern av statorn 83,56 mm (intern) och 190 mm (extern), ett luftgap på 1,38 mm, den totala längden på 234 mm, mängden , tjockleken på ribborna 3 mm..
SolidWorks luftkylda motormodell importeras sedan till ANSYS Fluent och simuleras.Dessutom kontrolleras de erhållna resultaten för att säkerställa noggrannheten i den genomförda simuleringen.Dessutom modellerades en integrerad luft- och vattenkyld IM med SolidWorks 2017-programvara och simulerades med ANSYS Fluent 2021-mjukvara (Figur 4).
Designen och dimensionerna på denna modell är inspirerade av Siemens 1LA9 aluminiumserie och modellerade i SolidWorks 2017. Modellen har modifierats något för att passa simuleringsmjukvarans behov.Ändra CAD-modeller genom att ta bort oönskade delar, ta bort filéer, avfasningar och mer när du modellerar med ANSYS Workbench 2021.
En designinnovation är vattenjackan, vars längd bestämdes från simuleringsresultaten från den första modellen.Vissa ändringar har gjorts i simuleringen av vattenjackan för att få bästa resultat vid användning av midjan i ANSYS.Olika delar av IM visas i fig.5a–f.
(A).Rotorkärna och IM-axel.(b) IM-statorkärna.(c) IM statorlindning.(d) Extern ram för MI.(e) IM vattenjacka.f) kombination av luft- och vattenkylda IM-modeller.
Den axelmonterade fläkten ger ett konstant luftflöde på 10 m/s och en temperatur på 30 °C på fenornas yta.Värdet på hastigheten väljs slumpmässigt beroende på kapaciteten hos blodtrycket som analyseras i denna artikel, vilket är större än vad som anges i litteraturen.Den heta zonen inkluderar rotorn, statorn, statorlindningarna och rotorhållaren.Materialen i statorn och rotorn är stål, lindningarna och burstavarna är koppar, ramen och ribborna är aluminium.Värmen som genereras i dessa områden beror på elektromagnetiska fenomen, såsom Joule-uppvärmning när en extern ström passerar genom en kopparspole, samt förändringar i magnetfältet.Värmeavgivningshastigheterna för de olika komponenterna togs från olika litteratur tillgängliga för en 100 kW IM.
Integrerade luftkylda och vattenkylda IM, utöver ovanstående villkor, inkluderade även en vattenmantel, i vilken värmeöverföringsförmågan och pumpeffektbehoven analyserades för olika vattenflöden (5 l/min, 10 l/min. och 15 l/min).Denna ventil valdes som minimiventil, eftersom resultaten inte förändrades signifikant för flöden under 5 L/min.Dessutom valdes ett flöde på 15 L/min som maxvärde, eftersom pumpeffekten ökade markant trots att temperaturen fortsatte att sjunka.
Olika IM-modeller importerades till ANSYS Fluent och redigerades ytterligare med ANSYS Design Modeler.Vidare byggdes ett lådformat hölje med dimensionerna 0,3 × 0,3 × 0,5 m runt AD för att analysera luftens rörelse runt motorn och studera borttagandet av värme till atmosfären.Liknande analyser utfördes för integrerade luft- och vattenkylda IM.
IM-modellen är modellerad med CFD och FEM numeriska metoder.Meshes är inbyggda i CFD för att dela upp en domän i ett visst antal komponenter för att hitta en lösning.Tetraedriska nät med lämpliga elementstorlekar används för allmän komplex geometri hos motorkomponenter.Alla gränssnitt fylldes med 10 lager för att erhålla exakta ytvärmeöverföringsresultat.Rutnätsgeometrin för två MI-modeller visas i Fig. .6a, b.
Energiekvationen låter dig studera värmeöverföring i olika delar av motorn.K-epsilon turbulensmodell med standardväggfunktioner valdes för att modellera turbulens runt den yttre ytan.Modellen tar hänsyn till kinetisk energi (Ek) och turbulent förlust (epsilon).Koppar, aluminium, stål, luft och vatten valdes för sina standardegenskaper för användning i sina respektive applikationer.Värmeavledningshastigheter (se tabell 2) anges som indata, och olika batterizonförhållanden är inställda på 15, 17, 28, 32. Lufthastigheten över motorhuset sattes till 10 m/s för båda motormodellerna, och i Dessutom togs hänsyn till tre olika vattenmängder för vattenmanteln (5 l/min, 10 l/min och 15 l/min).För större noggrannhet sattes residualerna för alla ekvationer lika med 1 × 10–6.Välj algoritmen ENKEL (semi-implicit metod för tryckekvationer) för att lösa Navier Prime (NS) ekvationerna.När hybridinitieringen är klar kommer installationen att köras 500 iterationer, som visas i figur 7.
Posttid: 24 juli 2023