Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Во меѓувреме, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Поради оперативните трошоци и долговечноста на моторот, правилната стратегија за управување со топлинска енергија на моторот е исклучително важна.Оваа статија разви стратегија за термичко управување за индукционите мотори за да обезбеди подобра издржливост и да ја подобри ефикасноста.Дополнително, беше извршен обемен преглед на литературата за методите за ладење на моторот.Како главен резултат, дадена е термичка пресметка на асинхрон мотор со воздушно ладење со висока моќност, земајќи го предвид добро познатиот проблем на дистрибуција на топлина.Дополнително, оваа студија предлага интегриран пристап со две или повеќе стратегии за ладење за да се задоволат тековните потреби.Беше направена нумеричка студија за модел на асинхрон мотор со воздушно ладење од 100 kW и подобрен модел на термичко управување на истиот мотор, каде што значително зголемување на ефикасноста на моторот се постигнува преку комбинација на воздушно ладење и интегриран систем за ладење на вода. спроведена.Проучен е интегриран систем со воздушно ладење и ладење со вода со помош на верзиите SolidWorks 2017 и ANSYS Fluent 2021.Три различни текови на вода (5 L/min, 10 L/min и 15 L/min) беа анализирани во однос на конвенционалните индукциски мотори со воздушно ладење и потврдени со користење на достапни објавени ресурси.Анализата покажува дека за различни стапки на проток (5 L/min, 10 L/min и 15 L/min соодветно) добивме соодветни температурни намалувања од 2,94%, 4,79% и 7,69%.Затоа, резултатите покажуваат дека вградениот асинхрон мотор може ефикасно да ја намали температурата во споредба со асинхрониот мотор со воздушно ладење.
Електричниот мотор е еден од клучните пронајдоци на современата инженерска наука.Електричните мотори се користат во сè, од апарати за домаќинство до возила, вклучително и во автомобилската и воздушната индустрија.Во последниве години, популарноста на асинхроните мотори (AM) се зголеми поради нивниот висок стартен вртежен момент, добрата контрола на брзината и умерениот капацитет на преоптоварување (сл. 1).Индукциските мотори не само што прават вашите светилки да светат, туку и ги напојуваат повеќето гаџети во вашиот дом, од вашата четка за заби до вашиот Tesla.Механичката енергија во IM се создава со контакт на магнетното поле на намотките на статорот и роторот.Покрај тоа, IM е остварлива опција поради ограничената понуда на метали од ретки земји.Сепак, главниот недостаток на АД е тоа што нивниот животен век и ефикасност се многу чувствителни на температура.Индукциските мотори трошат околу 40% од светската електрична енергија, што треба да не наведе да мислиме дека управувањето со потрошувачката на енергија на овие машини е критично.
Равенката на Арениус вели дека за секои 10°C пораст на работната температура, животниот век на целиот мотор се преполовува.Затоа, за да се обезбеди сигурност и да се зголеми продуктивноста на машината, неопходно е да се обрне внимание на термичката контрола на крвниот притисок.Во минатото, термичката анализа беше занемарена и дизајнерите на моторите го разгледуваа проблемот само на периферијата, врз основа на дизајнерското искуство или други димензионални променливи, како што се густината на струјата на намотување, итн. Овие пристапи водат до примена на големи безбедносни маржи за најлошото услови за греење на куќиштето, што резултира со зголемување на големината на машината и затоа зголемување на цената.
Постојат два вида на термичка анализа: анализа на збирно коло и нумерички методи.Главната предност на аналитичките методи е способноста за брзо и прецизно извршување на пресметките.Сепак, мора да се направи значителен напор за да се дефинираат кола со доволна точност за да се симулираат топлинските патеки.Од друга страна, нумеричките методи се грубо поделени на пресметковна динамика на флуиди (CFD) и структурна термичка анализа (STA), кои користат анализа на конечни елементи (FEA).Предноста на нумеричката анализа е тоа што ви овозможува да ја моделирате геометријата на уредот.Сепак, поставувањето и пресметките на системот понекогаш може да бидат тешки.Научните статии дискутирани подолу се избрани примери за термичка и електромагнетна анализа на различни современи индукциски мотори.Овие написи ги поттикнаа авторите да ги проучуваат топлинските феномени кај асинхроните мотори и методите за нивно ладење.
Пил-Ван Хан1 се занимаваше со термичка и електромагнетна анализа на МИ.За термичка анализа се користи методот на анализа на збирно коло, а за електромагнетна анализа се користи методот на магнетни конечни елементи со променливи временски услови.Со цел правилно да се обезбеди термичка заштита од преоптоварување во која било индустриска апликација, температурата на намотката на статорот мора веродостојно да се процени.Ахмед и сор.2 предложија модел на топлинска мрежа од повисок ред заснован на длабоки термички и термодинамички размислувања.Развојот на методите за термичко моделирање за цели на индустриска топлинска заштита има придобивки од аналитичките решенија и разгледувањето на термичките параметри.
Nair et al.3 користеа комбинирана анализа на IM од 39 kW и 3D нумеричка термичка анализа за да ја предвидат топлинската дистрибуција во електрична машина.Ying et al.4 анализираа целосно затворени IM-и со ладење со вентилатор (TEFC) со 3D проценка на температурата.Мун и сор.5 ги проучувал својствата на топлинскиот проток на IM TEFC користејќи CFD.Моделот на транзиција на моторот LPTN беше даден од Todd et al.6.Се користат експериментални температурни податоци заедно со пресметаните температури добиени од предложениот LPTN модел.Peter et al.7 користеле CFD за да го проучуваат протокот на воздух што влијае на термичкото однесување на електричните мотори.
Кабрал и сор8 предложија едноставен IM термички модел во кој температурата на машината беше добиена со примена на равенката за дифузија на топлина на цилиндрите.Натег и сор.9 проучувале самовентилиран систем за влечење со помош на CFD за да ја тестираат точноста на оптимизираните компоненти.Така, нумерички и експериментални студии може да се користат за симулирање на термичка анализа на асинхрони мотори, види сл.2.
Yinye et al.10 предложија дизајн за подобрување на термичкото управување со искористување на заедничките термички својства на стандардните материјали и заедничките извори на загуба на машински делови.Marco et al.11 ги претставија критериумите за дизајнирање на системи за ладење и навлаки за вода за машински компоненти користејќи CFD и LPTN модели.Yaohui et al.12 обезбедуваат различни насоки за избор на соодветен метод за ладење и оценување на перформансите на почетокот на процесот на дизајнирање.Нел и сор.13 предложија да се користат модели за поврзана електромагнетно-термичка симулација за даден опсег на вредности, ниво на детали и пресметковна моќ за мултифизички проблем.Jean et al.14 и Kim et al.15 ја проучувале температурната распределба на асинхрон мотор со воздушно ладење користејќи 3D споено FEM поле.Пресметајте ги влезните податоци користејќи 3D анализа на полето на вртложни струи за да ги пронајдете загубите на Џули и да ги користите за термичка анализа.
Michel et al.16 споредувале конвенционални центрифугални вентилатори за ладење со аксијални вентилатори со различен дизајн преку симулации и експерименти.Еден од овие дизајни постигна мали, но значајни подобрувања во ефикасноста на моторот додека ја одржуваше истата работна температура.
Лу и сор.17 користеле еквивалентен метод на магнетно коло во комбинација со моделот Boglietti за да ги проценат загубите на железо на вратилото на асинхрон мотор.Авторите претпоставуваат дека распределбата на густината на магнетниот флукс во кој било пресек во внатрешноста на вретениот мотор е рамномерна.Тие го споредија нивниот метод со резултатите од анализата на конечни елементи и експерименталните модели.Овој метод може да се користи за експресна анализа на МИ, но неговата точност е ограничена.
18 прикажува различни методи за анализа на електромагнетното поле на линеарните асинхрони мотори.Меѓу нив, опишани се методи за проценка на загубите на моќност во реактивни шини и методи за предвидување на порастот на температурата на влечните линеарни индукциски мотори.Овие методи може да се користат за подобрување на ефикасноста на конверзија на енергија кај линеарните асинхрони мотори.
Забдур и сор.19 ги истражуваше перформансите на јакните за ладење користејќи тридимензионален нумерички метод.Обвивката за ладење користи вода како главен извор на течноста за ладење за трифазниот IM, што е важно за моќноста и максималните температури потребни за пумпање.Рипел и сор.20 патентираа нов пристап кон системите за течно ладење наречено попречно ламинирано ладење, во кое ладилното средство тече попречно низ тесните области формирани од дупки меѓусебно магнетно ламинирање.Дерисзаде и сор.21 експериментално го истражуваше ладењето на влечните мотори во автомобилската индустрија користејќи мешавина од етилен гликол и вода.Оценете ја работата на различни мешавини со CFD и 3D анализа на турбулентна течност.Студијата за симулација на Boopathi et al.22 покажа дека температурниот опсег за моторите со водено ладење (17-124°C) е значително помал отколку за моторите со воздушно ладење (104-250°C).Максималната температура на алуминиумскиот мотор со водено ладење е намалена за 50,4%, а максималната температура на моторот со водено ладење PA6GF30 е намалена за 48,4%.Bezukov et al.23 го оценија ефектот на формирање на бигор врз топлинската спроводливост на ѕидот на моторот со течен систем за ладење.Истражувањата покажаа дека оксидниот филм со дебелина од 1,5 mm го намалува преносот на топлина за 30%, ја зголемува потрошувачката на гориво и ја намалува моќноста на моторот.
Tanguy et al.24 спроведоа експерименти со различни стапки на проток, температури на маслото, ротациони брзини и режими на вбризгување за електрични мотори користејќи масло за подмачкување како течност за ладење.Воспоставена е силна врска помеѓу брзината на проток и вкупната ефикасност на ладењето.Ha et al.25 предложија да се користат млазници капка по капка како млазници за рамномерно распоредување на маслениот слој и максимизирање на ефикасноста на ладењето на моторот.
Nandi et al.26 го анализираа ефектот на рамните топлински цевки во облик на L врз перформансите на моторот и термичкото управување.Делот од испарувачот на топлинската цевка се вградува во куќиштето на моторот или е закопан во вратилото на моторот, а делот на кондензаторот се поставува и се лади со циркулирачка течност или воздух.Белетре и сор.27 проучувал PCM цврсто-течен систем за ладење за минлив моторен статор.PCM ги импрегнира главите за намотување, намалувајќи ја температурата на жешкото место со складирање на латентна топлинска енергија.
Така, перформансите и температурата на моторот се оценуваат со користење на различни стратегии за ладење, видете на сл.3. Овие кола за ладење се дизајнирани да ја контролираат температурата на намотките, плочите, главите за намотување, магнетите, труповите и крајните плочи.
Течните системи за ладење се познати по нивниот ефикасен пренос на топлина.Сепак, пумпањето на течноста за ладење околу моторот троши многу енергија, што ја намалува ефективната моќност на моторот.Системите за воздушно ладење, од друга страна, се широко користен метод поради нивната ниска цена и леснотијата на надградба.Сепак, тој е сè уште помалку ефикасен од системите за течно ладење.Потребен е интегриран пристап кој може да ги комбинира високите перформанси на пренос на топлина на системот со течно ладење со ниската цена на системот со воздушно ладење без да троши дополнителна енергија.
Оваа статија ги наведува и анализира топлинските загуби во АД.Механизмот на овој проблем, како и загревањето и ладењето на индукционите мотори, е објаснет во делот Загуба на топлина кај индукционите мотори преку Стратегии за ладење.Загубата на топлина на јадрото на асинхрон мотор се претвора во топлина.Затоа, овој напис го разгледува механизмот на пренос на топлина во моторот со спроводливост и принудна конвекција.Пријавено е термичко моделирање на IM користејќи равенки за континуитет, равенки на Навиер-Стоукс/моментум и равенки за енергија.Истражувачите извршија аналитички и нумерички термички студии на IM за да ја проценат температурата на намотките на статорот со единствена цел да го контролираат термичкиот режим на електричниот мотор.Оваа статија се фокусира на термичка анализа на воздушно ладење IM и термичка анализа на интегрирани IM со воздушно ладење и вода со ладење користејќи CAD моделирање и ANSYS Fluent симулација.И термичките предности на интегрираниот подобрен модел на системи со воздушно и водено ладење се длабоко анализирани.Како што споменавме погоре, документите наведени овде не се резиме на најсовремената технологија во областа на топлинските феномени и ладењето на индукционите мотори, но тие укажуваат на многу проблеми што треба да се решат за да се обезбеди сигурна работа на асинхроните мотори .
Загубата на топлина обично се дели на загуба на бакар, загуба на железо и триење/механичка загуба.
Загубите на бакар се резултат на загревање со џул поради отпорноста на спроводникот и може да се квантифицираат како 10,28:
каде q̇g е генерираната топлина, I и Ve се номиналната струја и напонот, соодветно, а Re е отпорот на бакар.
Губењето на железо, исто така познато како паразитско губење, е вториот главен тип на загуба што предизвикува хистереза и загуби на вртложни струи во АМ, главно предизвикани од временските променливи магнетни полиња.Тие се квантифицирани со продолжената равенка на Штајнмец, чии коефициенти може да се сметаат за константни или променливи во зависност од работните услови10,28,29.
каде што Khn е факторот на загуба на хистерезис изведен од дијаграмот за загуба на јадрото, Кен е факторот на загуба на вртложни струи, N е хармоничен индекс, Bn и f се густината на врвниот флукс и фреквенцијата на не-синусоидното возбудување, соодветно.Горенаведената равенка може дополнително да се поедностави на следниов начин10,29:
Меѓу нив, K1 и K2 се факторот на јадро на загуба и загуба на вртложни струи (qec), загуба на хистерезис (qh) и вишок загуба (qex), соодветно.
Загубите од оптоварувањето на ветерот и триењето се двете главни причини за механички загуби во IM.Загубите од ветер и триење се 10,
Во формулата, n е брзината на вртење, Kfb е коефициент на загуби на триење, D е надворешниот дијаметар на роторот, l е должината на роторот, G е тежината на роторот 10.
Примарниот механизам за пренос на топлина во моторот е преку спроводливост и внатрешно загревање, како што е определено со Поасоновата равенка30 применета на овој пример:
За време на работата, по одреден временски период кога моторот ќе достигне стабилна состојба, генерираната топлина може да се приближи со постојано загревање на топлинскиот флукс на површината.Затоа, може да се претпостави дека спроводливоста во внатрешноста на моторот се изведува со ослободување на внатрешна топлина.
Преносот на топлина помеѓу перките и околната атмосфера се смета за принудна конвекција, кога течноста е принудена да се движи во одредена насока од надворешна сила.Конвекцијата може да се изрази како 30:
каде што h е коефициентот на пренос на топлина (W/m2 K), A е површината, а ΔT е температурната разлика помеѓу површината за пренос на топлина и разладното средство нормално на површината.Бројот на Нузелт (Nu) е мерка за односот на конвективниот и проводниот пренос на топлина нормално на границата и е избран врз основа на карактеристиките на ламинарниот и турбулентниот проток.Според емпирискиот метод, Нуселтовиот број на турбулентен проток обично се поврзува со Рејнолдсовиот број и Прандтловиот број, изразен како 30:
каде што h е коефициент на конвективен пренос на топлина (W/m2 K), l е карактеристична должина, λ е топлинска спроводливост на течноста (W/m K), а Прандтоловиот број (Pr) е мерка за односот на коефициентот на дифузија на импулсот до топлинската дифузија (или брзината и релативната дебелина на термичкиот граничен слој), дефиниран како 30:
каде k и cp се топлинска спроводливост и специфичен топлински капацитет на течноста, соодветно.Во принцип, воздухот и водата се најчестите течности за ладење за електричните мотори.Течните својства на воздухот и водата на амбиентална температура се прикажани во Табела 1.
Термичкото моделирање IM се заснова на следните претпоставки: 3D стабилна состојба, турбулентен проток, воздухот е идеален гас, занемарливо зрачење, Њутнова течност, некомпресибилна течност, состојба без лизгање и постојани својства.Затоа, следните равенки се користат за исполнување на законите за зачувување на масата, импулсот и енергијата во течниот регион.
Во општиот случај, равенката за зачувување на масата е еднаква на нето масовниот проток во ќелијата со течност, определен со формулата:
Според вториот закон на Њутн, брзината на промена на импулсот на течната честичка е еднаква на збирот на силите што дејствуваат на неа, а општата равенка за зачувување на импулсот може да се запише во векторска форма како:
Поимите ∇p, ∇∙τij и ρg во горната равенка претставуваат притисок, вискозност и гравитација, соодветно.Медиумите за ладење (воздух, вода, масло, итн.) кои се користат како течности за ладење во машините генерално се сметаат за Њутнови.Равенките прикажани овде вклучуваат само линеарна врска помеѓу напрегањето на смолкнување и градиентот на брзината (стапка на напрегање) нормално на насоката на смолкнување.Со оглед на постојаниот вискозитет и постојан проток, равенката (12) може да се смени на 31:
Според првиот закон на термодинамиката, брзината на промена на енергијата на течната честичка е еднаква на збирот на нето топлината што ја создава течната честичка и нето-моќта произведена од течната честичка.За Њутновиот компресибилен вискозен проток, равенката за зачувување на енергијата може да се изрази како 31:
каде што Cp е топлинскиот капацитет при постојан притисок, а терминот ∇ ∙ (k∇T) е поврзан со топлинската спроводливост низ границата на течната ќелија, каде што k ја означува топлинската спроводливост.Конверзијата на механичката енергија во топлина се разгледува во однос на \(\varnothing\) (т.е. функцијата на вискозна дисипација) и се дефинира како:
Каде \(\rho\) е густината на течноста, \(\mu\) е вискозноста на течноста, u, v и w се потенцијалот на насоката x, y, z на брзината на течноста, соодветно.Овој термин ја опишува конверзијата на механичката енергија во топлинска енергија и може да се игнорира бидејќи е важен само кога вискозноста на течноста е многу висока и градиентот на брзината на течноста е многу голем.Во случај на постојан проток, постојана специфична топлина и топлинска спроводливост, равенката на енергијата се менува на следниов начин:
Овие основни равенки се решени за ламинарен тек во Декартовиот координатен систем.Сепак, како и многу други технички проблеми, работата на електричните машини е првенствено поврзана со турбулентни текови.Затоа, овие равенки се модифицирани за да се формира методот за просечно извлекување на Reynolds Navier-Stokes (RANS) за моделирање на турбуленции.
Во оваа работа, избрана е програмата ANSYS FLUENT 2021 за CFD моделирање со соодветните гранични услови, како што е разгледуваниот модел: асинхрон мотор со воздушно ладење со капацитет од 100 kW, дијаметар на роторот 80,80 mm, дијаметар на статорот 83,56 mm (внатрешен) и 190 mm (надворешен), воздушен јаз од 1,38 mm, вкупна должина од 234 mm, количина , дебелина на ребрата 3 mm..
Моделот на мотор со воздушно ладење SolidWorks потоа се увезува во ANSYS Fluent и се симулира.Дополнително, добиените резултати се проверуваат за да се обезбеди точноста на извршената симулација.Дополнително, интегриран IM со воздушно и водено ладење беше моделиран со помош на софтверот SolidWorks 2017 и симулиран со помош на софтверот ANSYS Fluent 2021 (Слика 4).
Дизајнот и димензиите на овој модел се инспирирани од алуминиумската серија Siemens 1LA9 и моделирани во SolidWorks 2017. Моделот е малку изменет за да одговара на потребите на софтверот за симулација.Изменете ги моделите CAD со отстранување на несаканите делови, отстранување на филети, обвивки и повеќе при моделирање со ANSYS Workbench 2021.
Дизајнерска иновација е јакната за вода, чија должина беше одредена од резултатите од симулацијата на првиот модел.Направени се одредени промени во симулацијата на јакна за вода за да се добијат најдобри резултати при користење на половината во ANSYS.Различни делови од IM се прикажани на сл.5a–f.
(А).Јадрото на роторот и IM вратило.(б) IM статорско јадро.(в) Намотување на статорот IM.(г) Надворешна рамка на МИ.(д) IM јакна за вода.ѓ) комбинација на IM модели со ладење со воздух и вода.
Вентилаторот монтиран на вратило обезбедува постојан проток на воздух од 10 m/s и температура од 30 °C на површината на перките.Вредноста на стапката е избрана по случаен избор во зависност од капацитетот на крвниот притисок анализиран во овој напис, кој е поголем од оној наведен во литературата.Жешката зона ги вклучува роторот, статорот, намотките на статорот и шипките на кафезот на роторот.Материјалите на статорот и роторот се челик, намотките и кафезните прачки се бакар, рамката и ребрата се алуминиумски.Топлината што се создава во овие области се должи на електромагнетни феномени, како што е загревањето со џул кога надворешна струја се пренесува низ бакарен калем, како и промени во магнетното поле.Стапките на ослободување топлина на различните компоненти беа земени од различна литература достапна за IM од 100 kW.
Интегрираните IM со воздушно ладење и водено ладење, покрај горенаведените услови, вклучуваа и обвивка за вода, во која способностите за пренос на топлина и барањата за моќност на пумпата беа анализирани за различни стапки на проток на вода (5 l/min, 10 l/min и 15 l/min).Овој вентил беше избран како минимален вентил, бидејќи резултатите не се променија значително за проток под 5 L/min.Дополнително, како максимална вредност беше избрана брзина на проток од 15 L/min, бидејќи моќта на пумпање значително се зголеми и покрај фактот што температурата продолжи да паѓа.
Различни IM модели беа увезени во ANSYS Fluent и дополнително уредени со помош на ANSYS Design Modeler.Понатаму, куќиштето во облик на кутија со димензии од 0,3 × 0,3 × 0,5 m беше изградено околу АД за да се анализира движењето на воздухот околу моторот и да се проучува отстранувањето на топлината во атмосферата.Слични анализи беа извршени за интегрирани IM-и кои се ладат со воздух и вода.
Моделот IM е моделиран со користење на нумерички методи CFD и FEM.Мрежите се вградени во CFD за да се подели доменот на одреден број компоненти со цел да се најде решение.За општа сложена геометрија на компонентите на моторот се користат тетраедарски мрежи со соодветни големини на елементите.Сите интерфејси беа исполнети со 10 слоеви за да се добијат точни резултати за пренос на топлина на површината.Геометријата на мрежата на два MI модели е прикажана на сл.6а, б.
Енергетската равенка ви овозможува да го проучувате преносот на топлина во различни области на моторот.Моделот на турбуленција K-epsilon со стандардни функции на ѕидот е избран за моделирање на турбуленцијата околу надворешната површина.Моделот ја зема предвид кинетичката енергија (Ek) и турбулентната дисипација (епсилон).Бакар, алуминиум, челик, воздух и вода беа избрани за нивните стандардни својства за употреба во нивните соодветни апликации.Стапките на дисипација на топлина (види Табела 2) се дадени како влезови, а различните услови на зоната на батеријата се поставени на 15, 17, 28, 32. Брзината на воздухот над куќиштето на моторот беше поставена на 10 m/s за двата модели на мотори, а во Дополнително, три различни стапки на вода беа земени предвид за обвивката за вода (5 l/min, 10 l/min и 15 l/min).За поголема точност, остатоците за сите равенки беа поставени еднакви на 1 × 10-6.Изберете го алгоритмот ЕДНОСТАВЕН (полуимплицитен метод за равенки на притисок) за да ги решите равенките Navier Prime (NS).Откако ќе заврши хибридната иницијализација, поставувањето ќе изврши 500 повторувања, како што е прикажано на Слика 7.
Време на објавување: 24 јули 2023 година