Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Зважаючи на експлуатаційні витрати та довговічність двигуна, правильна стратегія керування температурою двигуна є надзвичайно важливою.У цій статті розроблено стратегію управління температурою для асинхронних двигунів, щоб забезпечити кращу довговічність і підвищення ефективності.Крім того, було виконано широкий огляд літератури щодо методів охолодження двигуна.Як основний результат наведено тепловий розрахунок потужного асинхронного двигуна з повітряним охолодженням з урахуванням відомої задачі розподілу тепла.Крім того, це дослідження пропонує інтегрований підхід із двома або більше стратегіями охолодження для задоволення поточних потреб.Проведено чисельне дослідження моделі асинхронного двигуна з повітряним охолодженням потужністю 100 кВт і вдосконаленої моделі теплового керування цього ж двигуна, де значне підвищення ККД двигуна досягнуто за рахунок комбінації повітряного охолодження та інтегрованої системи водяного охолодження. здійснюється.Інтегровану систему з повітряним і водяним охолодженням досліджували за допомогою версій SolidWorks 2017 і ANSYS Fluent 2021.Три різні потоки води (5 л/хв, 10 л/хв і 15 л/хв) були проаналізовані порівняно зі звичайними асинхронними двигунами з повітряним охолодженням і перевірені за допомогою доступних опублікованих ресурсів.Аналіз показує, що для різних витрат (5 л/хв, 10 л/хв і 15 л/хв відповідно) ми отримали відповідне зниження температури на 2,94%, 4,79% і 7,69%.Таким чином, результати показують, що вбудований асинхронний двигун може ефективно знижувати температуру порівняно з асинхронним двигуном з повітряним охолодженням.
Електродвигун є одним із ключових винаходів сучасної техніки.Електродвигуни використовуються у всьому, від побутової техніки до транспортних засобів, включаючи автомобільну та аерокосмічну промисловість.В останні роки популярність асинхронних двигунів (АД) зросла завдяки їх високому пусковому моменту, хорошому контролю швидкості та помірній перевантажувальній здатності (рис. 1).Асинхронні двигуни не тільки змушують ваші лампочки світитися, вони живлять більшість гаджетів у вашому домі, від вашої зубної щітки до вашого Tesla.Механічна енергія в АД створюється контактом магнітного поля обмоток статора і ротора.Крім того, IM є життєздатним варіантом через обмежену пропозицію рідкоземельних металів.Однак основним недоліком AD є те, що їх термін служби та ефективність дуже чутливі до температури.Асинхронні двигуни споживають близько 40% світової електроенергії, що повинно спонукати нас до думки, що керування споживанням електроенергії цими машинами має вирішальне значення.
Рівняння Арреніуса стверджує, що на кожні 10°C підвищення робочої температури термін служби всього двигуна скорочується вдвічі.Тому для забезпечення надійності та підвищення продуктивності машини необхідно звернути увагу на термоконтроль артеріального тиску.У минулому термічним аналізом нехтували, і розробники двигунів розглядали проблему лише на периферії, ґрунтуючись на досвіді проектування чи інших розмірних змінних, таких як щільність струму обмотки тощо. Ці підходи призводять до застосування великих запасів безпеки для найгіршого умови нагрівання корпусу, що призводить до збільшення розміру машини і, отже, збільшення вартості.
Існує два типи теплового аналізу: аналіз зосереджених схем і чисельні методи.Головною перевагою аналітичних методів є можливість швидкого і точного виконання розрахунків.Однак необхідно докласти значних зусиль, щоб визначити схеми з достатньою точністю для імітації теплових шляхів.З іншого боку, чисельні методи грубо поділяються на обчислювальну гідродинаміку (CFD) і структурний термічний аналіз (STA), обидва з яких використовують аналіз кінцевих елементів (FEA).Перевага числового аналізу полягає в тому, що він дозволяє моделювати геометрію пристрою.Однак налаштування системи та обчислення іноді можуть бути складними.Наукові статті, розглянуті нижче, є вибраними прикладами теплового та електромагнітного аналізу різних сучасних асинхронних двигунів.Ці статті спонукали авторів до вивчення теплових явищ в асинхронних двигунах і методів їх охолодження.
Піл-Ван Хан1 займався тепловим і електромагнітним аналізом МІ.Метод аналізу зосереджених ланцюгів використовується для теплового аналізу, а змінний у часі магнітний метод кінцевих елементів використовується для електромагнітного аналізу.Щоб належним чином забезпечити тепловий захист від перевантаження в будь-якому промисловому застосуванні, необхідно достовірно оцінити температуру обмотки статора.Ахмед та ін.2 запропонували модель теплової мережі вищого порядку, засновану на глибоких теплових і термодинамічних міркуваннях.Розробка методів термічного моделювання для цілей промислового теплового захисту виграє від аналітичних рішень і врахування теплових параметрів.
Nair та ін.3 використали комбінований аналіз 39 кВт IM і тривимірний чисельний термічний аналіз для прогнозування розподілу тепла в електричній машині.Ying et al.4 проаналізували повністю закриті IM з вентиляторним охолодженням (TEFC) з 3D оцінкою температури.Місяць та ін.5 вивчали властивості теплового потоку IM TEFC за допомогою CFD.Модель моторного переходу LPTN була надана Тоддом та ін.6.Експериментальні температурні дані використовуються разом із розрахунковими температурами, отриманими із запропонованої моделі LPTN.Peter et al.7 використовували CFD для дослідження потоку повітря, який впливає на теплову поведінку електродвигунів.
Кабрал та інші8 запропонували просту теплову модель IM, у якій температуру машини було отримано шляхом застосування рівняння дифузії тепла циліндра.Nategh та ін.9 вивчали систему тягового двигуна з самовентиляцією за допомогою CFD для перевірки точності оптимізованих компонентів.Таким чином, числові та експериментальні дослідження можуть бути використані для моделювання теплового аналізу асинхронних двигунів, див. рис.2.
Yinye та ін.10 запропонували проект для покращення управління температурою шляхом використання загальних теплових властивостей стандартних матеріалів і загальних джерел втрати деталей машини.Марко та ін.11 представили критерії для проектування систем охолодження та водяних сорочок для компонентів машин за допомогою моделей CFD та LPTN.Yaohui et al.12 надають різні рекомендації щодо вибору відповідного методу охолодження та оцінки продуктивності на ранніх стадіях процесу проектування.Нелл та ін.13 запропонували використовувати моделі для спільного електромагнітно-теплового моделювання для заданого діапазону значень, рівня деталізації та обчислювальної потужності для мультифізичної проблеми.Jean et al.14 та Kim et al.15 досліджували розподіл температури асинхронного двигуна з повітряним охолодженням за допомогою 3D пов’язаного FEM поля.Обчисліть вхідні дані за допомогою тривимірного аналізу поля вихрових струмів, щоб знайти втрати Джоуля та використовувати їх для теплового аналізу.
Michel et al.16 порівнювали звичайні відцентрові вентилятори охолодження з осьовими вентиляторами різних конструкцій шляхом моделювання та експериментів.Одна з цих конструкцій досягла невеликих, але значних покращень ефективності двигуна при збереженні тієї самої робочої температури.
Lu et al.17 використовували метод еквівалентної магнітної схеми в поєднанні з моделлю Больєтті для оцінки втрат заліза на валу асинхронного двигуна.Автори припускають, що розподіл магнітної індукції в будь-якому поперечному перерізі всередині двигуна шпинделя є рівномірним.Вони порівняли свій метод з результатами кінцево-елементного аналізу та експериментальних моделей.Цей метод можна використовувати для експрес-аналізу ІМ, але його точність обмежена.
18 представлені різні методи аналізу електромагнітного поля лінійних асинхронних двигунів.Серед них описані методи оцінки втрат потужності в реактивних рейках і методи прогнозування підвищення температури тягових лінійних асинхронних двигунів.Ці методи можна використовувати для підвищення ефективності перетворення енергії лінійних асинхронних двигунів.
Забдур та ін.19 досліджували продуктивність кожухів охолодження за допомогою тривимірного чисельного методу.Охолоджуюча сорочка використовує воду як основне джерело теплоносія для трифазного IM, що важливо для потужності та максимальних температур, необхідних для перекачування.Rippel та ін.20 запатентували новий підхід до систем рідинного охолодження, який називається поперечним шаруватим охолодженням, у якому холодоагент протікає поперечно через вузькі ділянки, утворені отворами в магнітному шарі один одного.Дерізаде та ін.21 експериментально досліджували охолодження тягових двигунів в автомобільній промисловості за допомогою суміші етиленгліколю та води.Оцініть продуктивність різних сумішей за допомогою CFD і 3D аналізу турбулентної рідини.Дослідження моделювання, проведене Boopathi та ін.22, показало, що діапазон температур для двигунів з водяним охолодженням (17-124°C) значно менший, ніж для двигунів з повітряним охолодженням (104-250°C).Максимальна температура алюмінієвого двигуна з водяним охолодженням знижується на 50,4%, а максимальна температура двигуна з водяним охолодженням PA6GF30 знижується на 48,4%.Безуков та ін.23 оцінили вплив накипоутворення на теплопровідність стінки двигуна з рідинною системою охолодження.Дослідження показали, що оксидна плівка товщиною 1,5 мм знижує тепловіддачу на 30%, збільшує витрату палива і знижує потужність двигуна.
Tanguy та ін.24 провели експерименти з різними витратами, температурами масла, швидкостями обертання та режимами впорскування для електродвигунів, які використовують мастило як охолоджувач.Встановлено тісний зв’язок між швидкістю потоку та загальною ефективністю охолодження.Ха та ін.25 запропонували використовувати крапельні форсунки як форсунки для рівномірного розподілу масляної плівки та максимізації ефективності охолодження двигуна.
Нанді та ін.26 проаналізували вплив L-подібних плоских теплових трубок на продуктивність двигуна та управління температурою.Частина випарника теплової труби встановлюється в корпус двигуна або закопується у вал двигуна, а частина конденсатора встановлюється та охолоджується циркулюючою рідиною або повітрям.Беллеттр та ін.27 вивчав твердо-рідинну систему охолодження PCM для перехідного статора двигуна.PCM просочує головки обмоток, знижуючи температуру гарячої точки, накопичуючи приховану теплову енергію.
Таким чином, продуктивність і температура двигуна оцінюються за допомогою різних стратегій охолодження, див. рис.3. Ці контури охолодження призначені для контролю температури обмоток, пластин, головок обмоток, магнітів, каркаса та кінцевих пластин.
Системи рідинного охолодження відомі своєю ефективною теплопередачею.Однак перекачування охолоджуючої рідини навколо двигуна споживає багато енергії, що знижує ефективну вихідну потужність двигуна.Системи повітряного охолодження, з іншого боку, є широко використовуваним методом через їх низьку вартість і легкість модернізації.Однак він все одно менш ефективний, ніж системи рідинного охолодження.Необхідний інтегрований підхід, який може поєднати високу тепловіддачу системи рідинного охолодження з низькою вартістю системи повітряного охолодження без споживання додаткової енергії.
У цій статті перераховано та проаналізовано втрати тепла в AD.Механізм цієї проблеми, а також нагрівання та охолодження асинхронних двигунів пояснюється в розділі Втрати тепла в асинхронних двигунах у розділі Стратегії охолодження.Теплові втрати сердечника асинхронного двигуна перетворюються на тепло.Тому в цій статті розглядається механізм теплообміну всередині двигуна за допомогою кондукції та примусової конвекції.Повідомляється про теплове моделювання IM з використанням рівнянь неперервності, рівнянь Нав’є-Стокса/імпульсу та рівнянь енергії.Дослідники виконали аналітичні та чисельні теплові дослідження АД для оцінки температури обмоток статора з єдиною метою контролю теплового режиму електродвигуна.Ця стаття присвячена термічному аналізу IM з повітряним охолодженням і тепловому аналізу інтегрованих IM з повітряним і водяним охолодженням за допомогою CAD-моделювання та моделювання ANSYS Fluent.І теплові переваги інтегрованої вдосконаленої моделі систем повітряного та водяного охолодження глибоко проаналізовано.Як зазначалося вище, наведені тут документи не є підсумком сучасного стану в галузі теплових явищ і охолодження асинхронних двигунів, але вони вказують на багато проблем, які необхідно вирішити, щоб забезпечити надійну роботу асинхронних двигунів. .
Втрати тепла зазвичай поділяються на втрати міді, втрати заліза та втрати на тертя/механічні втрати.
Втрати міді є результатом джоулева нагрівання через питомий опір провідника і можуть бути кількісно визначені як 10,28:
де q̇g — виділене тепло, I і Ve — номінальний струм і напруга, відповідно, Re — опір міді.
Втрати заліза, також відомі як паразитні втрати, є другим основним типом втрат, які спричиняють гістерезис і втрати на вихрові струми в АМ, головним чином викликані змінним у часі магнітним полем.Вони кількісно визначаються розширеним рівнянням Штайнмеца, коефіцієнти якого можна вважати постійними або змінними залежно від умов роботи10,28,29.
де Khn — коефіцієнт втрат на гістерезис, отриманий із діаграми втрат в сердечнику, Ken — коефіцієнт втрат на вихровий струм, N — індекс гармоніки, Bn і f — пікова щільність потоку та частота несинусоїдального збудження відповідно.Наведене вище рівняння можна далі спростити наступним чином10,29:
Серед них K1 і K2 — це коефіцієнт втрат в сердечнику та втрати на вихрові струми (qec), втрати на гістерезис (qh) і надлишкові втрати (qex) відповідно.
Вітрове навантаження та втрати на тертя є двома основними причинами механічних втрат в IM.Втрати на вітер і тертя 10,
У формулі n - частота обертання, Kfb - коефіцієнт втрат на тертя, D - зовнішній діаметр ротора, l - довжина ротора, G - маса ротора 10.
Основним механізмом передачі тепла в двигуні є провідність і внутрішній нагрів, як визначено рівнянням Пуассона30, застосованим до цього прикладу:
Під час роботи, після певного моменту часу, коли двигун досягає стійкого стану, вироблене тепло можна приблизно оцінити постійним нагріванням поверхневого теплового потоку.Тому можна припустити, що теплопровідність всередині двигуна здійснюється з виділенням внутрішнього тепла.
Передача тепла між ребрами та навколишньою атмосферою вважається вимушеною конвекцією, коли рідина змушена рухатися в певному напрямку зовнішньою силою.Конвекцію можна виразити як 30:
де h — коефіцієнт теплопередачі (Вт/м2 К), A — площа поверхні, а ΔT — різниця температур між поверхнею теплопередачі та холодоагентом перпендикулярно до поверхні.Число Нуссельта (Nu) є мірою співвідношення конвективної та кондуктивної теплопередачі перпендикулярно до межі та вибирається на основі характеристик ламінарного та турбулентного потоку.Відповідно до емпіричного методу, число Нуссельта турбулентного потоку зазвичай асоціюється з числом Рейнольдса і числом Прандтля, що виражається як 30:
де h — коефіцієнт конвективної теплопередачі (Вт/м2 К), l — характерна довжина, λ — теплопровідність рідини (Вт/м К), а число Прандтля (Pr) — міра співвідношення коефіцієнт дифузії імпульсу до коефіцієнта теплопровідності (або швидкості та відносної товщини теплового прикордонного шару), визначений як 30:
де k і cp – теплопровідність і питома теплоємність рідини відповідно.Взагалі повітря і вода є найпоширенішими охолоджувачами електродвигунів.Властивості рідин повітря і води за температури навколишнього середовища наведені в таблиці 1.
Теплове моделювання IM базується на наступних припущеннях: тривимірний стаціонарний стан, турбулентний потік, повітря є ідеальним газом, незначне випромінювання, ньютонівська рідина, нестислива рідина, умова відсутності ковзання та постійні властивості.Тому для виконання законів збереження маси, імпульсу та енергії в області рідини використовуються наступні рівняння.
У загальному випадку рівняння збереження маси дорівнює витраті чистої маси в комірку з рідиною, що визначається за формулою:
Відповідно до другого закону Ньютона, швидкість зміни імпульсу рідкої частинки дорівнює сумі сил, що діють на неї, і загальне рівняння збереження імпульсу можна записати у векторній формі:
Терміни ∇p, ∇∙τij і ρg у наведеному вище рівнянні представляють тиск, в’язкість і силу тяжіння відповідно.Охолоджуючі середовища (повітря, вода, масло тощо), що використовуються як охолоджуючі рідини в машинах, зазвичай вважаються ньютонівськими.Наведені тут рівняння містять лише лінійну залежність між напругою зсуву та градієнтом швидкості (швидкістю деформації), перпендикулярним до напрямку зсуву.Враховуючи постійну в’язкість і постійний потік, рівняння (12) можна змінити на 31:
Відповідно до першого закону термодинаміки, швидкість зміни енергії рідкої частинки дорівнює сумі чистого тепла, що виділяється рідкою частинкою, і корисної потужності, виробленої рідкою частинкою.Для ньютонівського стисливого в’язкого потоку рівняння збереження енергії можна виразити як31:
де Cp – теплоємність при постійному тиску, а член ∇ ∙ (k∇T) пов’язаний з теплопровідністю через межу рідкої комірки, де k позначає теплопровідність.Перетворення механічної енергії в тепло розглядається в термінах \(\varnothing\) (тобто функції в'язкої дисипації) і визначається як:
Де \(\rho\) — густина рідини, \(\mu\) — в’язкість рідини, u, v і w — потенціал напрямку x, y, z швидкості рідини відповідно.Цей термін описує перетворення механічної енергії в теплову енергію, і ним можна ігнорувати, оскільки він важливий лише тоді, коли в’язкість рідини дуже висока, а градієнт швидкості рідини дуже великий.У разі сталого потоку, постійної питомої теплоємності та теплопровідності рівняння енергії модифікується таким чином:
Ці основні рівняння розв’язуються для ламінарного потоку в декартовій системі координат.Однак, як і багато інших технічних проблем, робота електричних машин пов'язана в першу чергу з турбулентними потоками.Тому ці рівняння модифіковано для формування методу усереднення Рейнольдса Нав’є-Стокса (RANS) для моделювання турбулентності.
У даній роботі була обрана програма CFD моделювання ANSYS FLUENT 2021 з відповідними граничними умовами, як розглянута модель: асинхронний двигун з повітряним охолодженням потужністю 100 кВт, діаметр ротора 80,80 мм, діаметр статора 83,56 мм (внутрішній) і 190 мм (зовнішній), повітряний зазор 1,38 мм, загальна довжина 234 мм, кількість , товщина ребра 3 мм..
Потім модель двигуна з повітряним охолодженням SolidWorks імпортується в ANSYS Fluent і моделюється.Крім того, отримані результати перевіряються для забезпечення точності виконаного моделювання.Крім того, інтегрований IM з повітряним і водяним охолодженням був змодельований за допомогою програмного забезпечення SolidWorks 2017 і змодельований за допомогою програмного забезпечення ANSYS Fluent 2021 (рис. 4).
Дизайн і розміри цієї моделі натхненні алюмінієвою серією Siemens 1LA9 і змодельовані в SolidWorks 2017. Модель була дещо змінена відповідно до потреб програмного забезпечення моделювання.Під час моделювання за допомогою ANSYS Workbench 2021 модифікуйте моделі САПР, видаляючи непотрібні частини, скруглення, фаски тощо.
Інновацією в конструкції є водяна сорочка, довжина якої була визначена за результатами моделювання першої моделі.Було внесено деякі зміни до симуляції водяної куртки, щоб отримати найкращі результати при використанні талії в ANSYS.Різні частини IM показані на рис.5a–f.
(А).Сердечник ротора і вал АД.(b) Сердечник статора IM.(c) Обмотка статора IM.(d) Зовнішній каркас МІ.(e) водяна сорочка IM.f) комбінація моделей IM з повітряним і водяним охолодженням.
Вентилятор, встановлений на валу, забезпечує постійний потік повітря 10 м/с і температуру 30 °C на поверхні ребер.Значення показника вибирається випадковим чином залежно від потужності артеріального тиску, аналізованого в цій статті, яка перевищує вказану в літературі.Гаряча зона включає ротор, статор, обмотки статора та стрижні клітки ротора.Матеріали статора і ротора - сталь, обмотки і стрижні клітки - мідь, каркас і ребра - алюміній.Тепло, що утворюється в цих областях, виникає внаслідок електромагнітних явищ, таких як нагрівання Джоуля, коли зовнішній струм пропускається через мідну котушку, а також змін у магнітному полі.Швидкості виділення тепла різними компонентами були взяті з різної доступної літератури для 100 кВт IM.
Інтегровані IM з повітряним і водяним охолодженням, на додаток до вищевказаних умов, також включали водяну сорочку, в якій були проаналізовані можливості теплопередачі та вимоги до потужності насоса для різних витрат води (5 л/хв, 10 л/хв). і 15 л/хв).Цей клапан було обрано як мінімальний клапан, оскільки результати суттєво не змінилися для потоків нижче 5 л/хв.Крім того, швидкість потоку 15 л/хв була обрана як максимальне значення, оскільки потужність насоса значно зросла, незважаючи на те, що температура продовжувала падати.
Різні моделі IM було імпортовано в ANSYS Fluent і далі редаговано за допомогою ANSYS Design Modeler.Крім того, навколо AD був побудований коробчастий корпус розміром 0,3 × 0,3 × 0,5 м для аналізу руху повітря навколо двигуна та вивчення відведення тепла в атмосферу.Подібні аналізи були проведені для інтегрованих IM з повітряним і водяним охолодженням.
Модель IM моделюється за допомогою чисельних методів CFD та FEM.Сітки побудовані в CFD для поділу домену на певну кількість компонентів з метою пошуку рішення.Тетраедричні сітки з відповідними розмірами елементів використовуються для загальної складної геометрії компонентів двигуна.Усі поверхні розділу були заповнені 10 шарами для отримання точних результатів поверхневого теплообміну.Геометрія сітки двох моделей МІ показана на рис.6а, б.
Рівняння енергії дозволяє досліджувати теплообмін в різних областях двигуна.Для моделювання турбулентності навколо зовнішньої поверхні було обрано K-epsilon модель турбулентності зі стандартними функціями стінки.Модель враховує кінетичну енергію (Ek) і турбулентну дисипацію (епсилон).Мідь, алюміній, сталь, повітря та вода були обрані за їхніми стандартними властивостями для використання у відповідних сферах застосування.Швидкість розсіювання тепла (див. таблицю 2) надається як вхідні дані, а для різних умов зони батареї встановлено значення 15, 17, 28, 32. Швидкість повітря над корпусом двигуна була встановлена на 10 м/с для обох моделей двигунів, а в крім того, для водяної сорочки були враховані три різні витрати води (5 л/хв, 10 л/хв та 15 л/хв).Для більшої точності нев’язки для всіх рівнянь були встановлені рівними 1 × 10–6.Виберіть ПРОСТИЙ (напівнеявний метод для рівнянь тиску) алгоритм, щоб розв’язати рівняння Нав’є Прайм (NS).Після завершення гібридної ініціалізації налаштування виконає 500 ітерацій, як показано на малюнку 7.
Час публікації: 24 липня 2023 р