Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).А пока, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Из-за эксплуатационных расходов и долговечности двигателя чрезвычайно важна правильная стратегия управления температурным режимом двигателя.В этой статье была разработана стратегия управления температурой для асинхронных двигателей, чтобы обеспечить большую долговечность и повысить эффективность.Кроме того, был выполнен обширный обзор литературы по методам охлаждения двигателей.В качестве основного результата приведен тепловой расчет мощного асинхронного двигателя с воздушным охлаждением с учетом известной задачи теплораспределения.Кроме того, в этом исследовании предлагается интегрированный подход с двумя или более стратегиями охлаждения для удовлетворения текущих потребностей.Проведено численное исследование модели асинхронного двигателя с воздушным охлаждением мощностью 100 кВт и усовершенствованной модели терморегулирования этого же двигателя, где значительное повышение КПД двигателя достигается за счет сочетания воздушного охлаждения и интегрированной системы водяного охлаждения. выполненный.Интегрированная система с воздушным и водяным охлаждением изучалась с использованием версий SolidWorks 2017 и ANSYS Fluent 2021.Три различных расхода воды (5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин) были проанализированы по сравнению с обычными асинхронными двигателями с воздушным охлаждением и проверены с использованием доступных опубликованных ресурсов.Анализ показывает, что для различных скоростей потока (5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин соответственно) мы получили соответствующее снижение температуры на 2,94%, 4,79% и 7,69%.Таким образом, результаты показывают, что встроенный асинхронный двигатель может эффективно снизить температуру по сравнению с асинхронным двигателем с воздушным охлаждением.
Электродвигатель – одно из ключевых изобретений современной инженерной науки.Электродвигатели используются во всем, от бытовой техники до транспортных средств, в том числе в автомобильной и аэрокосмической промышленности.В последние годы возросла популярность асинхронных двигателей (АД) благодаря их высокому пусковому моменту, хорошей регулировке скорости и умеренной перегрузочной способности (рис. 1).Асинхронные двигатели не только заставляют ваши лампочки светиться, но и питают большинство гаджетов в вашем доме, от зубной щетки до Tesla.Механическая энергия в АД создается контактом магнитного поля обмоток статора и ротора.Кроме того, IM является жизнеспособным вариантом из-за ограниченного предложения редкоземельных металлов.Однако основным недостатком АД является то, что их срок службы и эффективность очень чувствительны к температуре.Асинхронные двигатели потребляют около 40% электроэнергии в мире, что должно навести нас на мысль о том, что управление энергопотреблением этих машин имеет решающее значение.
Уравнение Аррениуса утверждает, что при повышении рабочей температуры на каждые 10°C срок службы всего двигателя сокращается вдвое.Поэтому для обеспечения надежности и повышения производительности машины необходимо обратить внимание на термоконтроль АД.В прошлом тепловым анализом пренебрегали, и конструкторы двигателей рассматривали проблему только на периферии, основываясь на опыте проектирования или других размерных переменных, таких как плотность тока обмотки и т. д. Эти подходы приводят к применению больших запасов безопасности для наихудших условий эксплуатации. условия нагрева корпуса, что приводит к увеличению размера машины и, следовательно, к увеличению стоимости.
Существует два типа теплового анализа: анализ сосредоточенных цепей и численные методы.Основным преимуществом аналитических методов является возможность быстро и точно выполнять расчеты.Однако необходимо приложить значительные усилия для определения цепей с достаточной точностью для имитации тепловых путей.С другой стороны, численные методы грубо делятся на вычислительную гидродинамику (CFD) и структурный термический анализ (STA), оба из которых используют анализ методом конечных элементов (FEA).Преимущество численного анализа в том, что он позволяет моделировать геометрию устройства.Однако настройка системы и расчеты иногда могут быть трудными.Обсуждаемые ниже научные статьи представляют собой избранные примеры теплового и электромагнитного анализа различных современных асинхронных двигателей.Эти статьи побудили авторов заняться изучением тепловых явлений в асинхронных двигателях и способов их охлаждения.
Pil-Wan Han1 занимался тепловым и электромагнитным анализом ИМ.Метод анализа цепей с сосредоточенными параметрами используется для теплового анализа, а метод переменных во времени магнитных конечных элементов используется для электромагнитного анализа.Чтобы должным образом обеспечить защиту от тепловой перегрузки в любом промышленном применении, необходимо надежно оценить температуру обмотки статора.Ahmed et al.2 предложили модель тепловой сети более высокого порядка, основанную на глубоких тепловых и термодинамических соображениях.Разработка методов теплового моделирования для целей промышленной теплозащиты выигрывает от аналитических решений и учета тепловых параметров.
Наир и др.3 использовали комбинированный анализ 39 кВт АД и трехмерный численный тепловой анализ для прогнозирования теплового распределения в электрической машине.Ying et al.4 проанализировали полностью закрытые IM с вентиляторным охлаждением (TEFC) с трехмерной оценкой температуры.Мун и др.5 изучали свойства теплового потока ИМ ТЭТЭ с помощью CFD.Модель моторного перехода LPTN была предложена Тоддом и др.6.Используются экспериментальные данные о температуре вместе с расчетными температурами, полученными из предложенной модели LPTN.Питер и др.7 использовали CFD для изучения воздушного потока, влияющего на тепловое поведение электродвигателей.
Cabral et al8 предложили простую тепловую модель IM, в которой температура машины была получена путем применения уравнения диффузии тепла в цилиндре.Nategh et al.9 изучили самовентилируемую систему тягового двигателя с помощью CFD для проверки точности оптимизированных компонентов.Таким образом, численные и экспериментальные исследования могут быть использованы для моделирования теплового анализа асинхронных двигателей, см. рис.2.
Yinye et al.10 предложили конструкцию для улучшения теплового управления за счет использования общих тепловых свойств стандартных материалов и общих источников потерь деталей машин.Марко и др.11 представили критерии проектирования систем охлаждения и водяных рубашек для компонентов машин с использованием моделей CFD и LPTN.Yaohui et al.12 предоставляют различные рекомендации по выбору подходящего метода охлаждения и оценке производительности на ранних этапах процесса проектирования.Нелл и др.13 предложили использовать модели для совместного электромагнитно-теплового моделирования для заданного диапазона значений, уровня детализации и вычислительной мощности для мультифизической задачи.Джин и др. 14 и Ким и др. 15 изучали распределение температуры асинхронного двигателя с воздушным охлаждением с использованием трехмерного связанного поля МКЭ.Рассчитайте входные данные с помощью трехмерного анализа поля вихревых токов, чтобы найти джоулевы потери и использовать их для теплового анализа.
Мишель и др.16 сравнили обычные центробежные вентиляторы охлаждения с осевыми вентиляторами различных конструкций с помощью моделирования и экспериментов.В одной из этих конструкций удалось добиться небольшого, но значительного повышения эффективности двигателя при сохранении той же рабочей температуры.
Лу и др.17 использовали метод эквивалентной магнитной цепи в сочетании с моделью Боглиетти для оценки потерь в стали на валу асинхронного двигателя.Авторы предполагают, что распределение плотности магнитного потока в любом поперечном сечении внутри шпиндельного двигателя является равномерным.Они сравнили свой метод с результатами анализа методом конечных элементов и экспериментальными моделями.Этот метод можно использовать для экспресс-анализа ИМ, но его точность ограничена.
18 представлены различные методы анализа электромагнитного поля линейных асинхронных двигателей.Среди них описаны методы оценки потерь мощности в реактивных рельсах и методы прогнозирования повышения температуры тяговых линейных асинхронных двигателей.Эти методы могут быть использованы для повышения эффективности преобразования энергии линейных асинхронных двигателей.
Забдур и др.19 исследовали характеристики охлаждающих рубашек с помощью трехмерного численного метода.Рубашка охлаждения использует воду в качестве основного источника охлаждающей жидкости для трехфазного АД, что важно для мощности и максимальных температур, необходимых для прокачки.Риппель и др.20 запатентовали новый подход к системам жидкостного охлаждения, называемый поперечным многослойным охлаждением, в котором хладагент течет поперечно через узкие области, образованные отверстиями друг в друге магнитных пластин.Деризаде и др.21 экспериментально исследовал охлаждение тяговых двигателей в автомобилестроении с помощью смеси этиленгликоля и воды.Оцените производительность различных смесей с помощью CFD и трехмерного анализа турбулентной жидкости.Моделирование, проведенное Boopathi et al.22, показало, что диапазон температур для двигателей с водяным охлаждением (17–124°C) значительно меньше, чем для двигателей с воздушным охлаждением (104–250°C).Максимальная температура алюминиевого двигателя с водяным охлаждением снижена на 50,4%, а максимальная температура двигателя с водяным охлаждением PA6GF30 снижена на 48,4%.Безуков и др.23 оценили влияние образования накипи на теплопроводность стенки двигателя с жидкостной системой охлаждения.Исследования показали, что оксидная пленка толщиной 1,5 мм снижает теплоотдачу на 30%, увеличивает расход топлива и снижает мощность двигателя.
Tanguy и др.24 провели эксперименты с различными расходами, температурами масла, скоростями вращения и режимами впрыска для электродвигателей, использующих смазочное масло в качестве охлаждающей жидкости.Установлена тесная взаимосвязь между скоростью потока и общей эффективностью охлаждения.Ха и др.25 предложили использовать капельные форсунки в качестве форсунок для равномерного распределения масляной пленки и максимального повышения эффективности охлаждения двигателя.
Нанди и др.26 проанализировали влияние L-образных плоских тепловых трубок на характеристики двигателя и управление температурным режимом.Часть испарителя с тепловой трубой установлена в корпусе двигателя или заглублена в вал двигателя, а часть конденсатора установлена и охлаждается циркулирующей жидкостью или воздухом.Беллеттре и др.В работе 27 изучалась твердо-жидкостная система охлаждения статора электродвигателя с переходным процессом.PCM пропитывает головки обмотки, снижая температуру горячей точки за счет накопления скрытой тепловой энергии.
Таким образом, производительность и температура двигателя оцениваются с использованием различных стратегий охлаждения, см. рис.3. Эти контуры охлаждения предназначены для контроля температуры обмоток, пластин, головок обмоток, магнитов, корпуса и торцевых пластин.
Системы жидкостного охлаждения известны своей эффективной теплопередачей.Однако прокачка охлаждающей жидкости вокруг двигателя потребляет много энергии, что снижает эффективную выходную мощность двигателя.Системы воздушного охлаждения, с другой стороны, являются широко используемым методом из-за их низкой стоимости и простоты модернизации.Однако она все же менее эффективна, чем системы жидкостного охлаждения.Необходим комплексный подход, который может сочетать высокие характеристики теплопередачи системы с жидкостным охлаждением с низкой стоимостью системы с воздушным охлаждением без потребления дополнительной энергии.
В этой статье перечислены и проанализированы тепловые потери в AD.Механизм этой проблемы, а также нагрев и охлаждение асинхронных двигателей объясняется в разделе «Потери тепла в асинхронных двигателях» с помощью стратегий охлаждения.Тепловые потери сердечника асинхронного двигателя преобразуются в тепло.Поэтому в данной статье рассматривается механизм передачи тепла внутри двигателя путем теплопроводности и принудительной конвекции.Сообщается о тепловом моделировании АД с использованием уравнений неразрывности, уравнений Навье-Стокса/импульса и уравнений энергии.Исследователи провели аналитические и численные тепловые исследования АД для оценки температуры обмоток статора с единственной целью контроля теплового режима электродвигателя.В этой статье основное внимание уделяется тепловому анализу АД с воздушным охлаждением и тепловому анализу интегрированных АД с воздушным и водяным охлаждением с использованием моделирования CAD и моделирования ANSYS Fluent.И глубоко проанализированы тепловые преимущества интегрированной улучшенной модели систем с воздушным и водяным охлаждением.Как было сказано выше, перечисленные здесь документы не являются сводкой современного состояния техники в области тепловых явлений и охлаждения асинхронных двигателей, а указывают на множество проблем, которые необходимо решить для обеспечения надежной работы асинхронных двигателей. .
Потери тепла обычно делятся на потери в меди, потери в железе и потери на трение/механические потери.
Потери в меди являются результатом джоулевого нагрева из-за удельного сопротивления проводника и могут быть определены как 10,28:
где q̇g — выделяемое тепло, I и Ve — номинальные ток и напряжение соответственно, а Re — сопротивление меди.
Потери в железе, также известные как паразитные потери, являются вторым основным типом потерь, вызывающим гистерезис и потери на вихревые токи в AM, в основном вызванные изменяющимся во времени магнитным полем.Они количественно определяются расширенным уравнением Штейнмеца, коэффициенты которого можно считать постоянными или переменными в зависимости от условий эксплуатации10,28,29.
где Khn — коэффициент гистерезисных потерь, полученный из диаграммы потерь в сердечнике, Ken — коэффициент потерь на вихревые токи, N — индекс гармоник, Bn и f — пиковая плотность потока и частота несинусоидального возбуждения соответственно.Приведенное выше уравнение может быть дополнительно упрощено следующим образом10,29:
Среди них K1 и K2 — коэффициент потерь в сердечнике и потери на вихревые токи (qec), гистерезисные потери (qh) и избыточные потери (qex) соответственно.
Ветровая нагрузка и потери на трение являются двумя основными причинами механических потерь в АД.Потери на ветер и трение равны 10,
В формуле n — частота вращения, Kfb — коэффициент потерь на трение, D — наружный диаметр ротора, l — длина ротора, G — вес ротора 10.
Основным механизмом передачи тепла внутри двигателя является теплопроводность и внутренний нагрев, что определяется уравнением Пуассона30, примененным к этому примеру:
Во время работы, после определенного момента времени, когда двигатель выходит на установившийся режим, выделяемое тепло можно аппроксимировать постоянным нагревом поверхностного теплового потока.Поэтому можно предположить, что теплопроводность внутри двигателя осуществляется с выделением внутреннего тепла.
Теплообмен между ребрами и окружающей атмосферой считается вынужденной конвекцией, когда жидкость вынуждена двигаться в определенном направлении под действием внешней силы.Конвекцию можно выразить как 30:
где h — коэффициент теплопередачи (Вт/м2·К), A — площадь поверхности, а ΔT — разность температур между поверхностью теплопередачи и хладагентом перпендикулярно поверхности.Число Нуссельта (Nu) является мерой отношения конвективной и кондуктивной теплопередачи перпендикулярно границе и выбирается на основе характеристик ламинарного и турбулентного течения.Согласно эмпирическому методу число Нуссельта турбулентного течения обычно связывают с числом Рейнольдса и числом Прандтля, выражаемым как 30:
где h — коэффициент конвективной теплопередачи (Вт/м2 К), l — характерная длина, λ — теплопроводность жидкости (Вт/м К), а число Прандтля (Pr) — мера отношения коэффициент диффузии импульса к коэффициенту температуропроводности (или скорости и относительной толщине теплового пограничного слоя), определяемому как 30:
где k и cp — теплопроводность и удельная теплоемкость жидкости соответственно.В целом воздух и вода являются наиболее распространенными охлаждающими жидкостями для электродвигателей.Жидкостные свойства воздуха и воды при температуре окружающей среды приведены в таблице 1.
Тепловое моделирование ИМ основано на следующих допущениях: трехмерное стационарное состояние, турбулентный поток, воздух является идеальным газом, незначительное излучение, ньютоновская жидкость, несжимаемая жидкость, условие прилипания и постоянные свойства.Поэтому для выполнения законов сохранения массы, импульса и энергии в жидкой области используются следующие уравнения.
В общем случае уравнение сохранения массы равно потоку чистой массы в ячейку с жидкостью, определяемому по формуле:
Согласно второму закону Ньютона скорость изменения импульса жидкой частицы равна сумме действующих на нее сил, и общее уравнение сохранения импульса можно записать в векторной форме как:
Члены ∇p, ∇∙τij и ρg в приведенном выше уравнении представляют давление, вязкость и силу тяжести соответственно.Охлаждающие среды (воздух, вода, масло и т. д.), используемые в качестве хладагентов в машинах, обычно считаются ньютоновскими.Показанные здесь уравнения включают только линейную зависимость между напряжением сдвига и градиентом скорости (скоростью деформации), перпендикулярным направлению сдвига.Учитывая постоянную вязкость и установившийся поток, уравнение (12) можно изменить на 31:
Согласно первому закону термодинамики скорость изменения энергии жидкой частицы равна сумме чистого тепла, выделяемого жидкой частицей, и чистой мощности, производимой жидкой частицей.Для ньютоновского сжимаемого вязкого течения уравнение сохранения энергии может быть выражено как31:
где Cp — теплоемкость при постоянном давлении, а член ∇ ∙ (k∇T) связан с теплопроводностью через границу жидкой ячейки, где k — теплопроводность.Преобразование механической энергии в тепло рассматривается с точки зрения \(\varnothing\) (т. е. функции вязкой диссипации) и определяется как:
Где \(\rho\) - плотность жидкости, \(\mu\) - вязкость жидкости, u, v и w - потенциал направления x, y, z скорости жидкости соответственно.Этот термин описывает преобразование механической энергии в тепловую энергию, и им можно пренебречь, поскольку он важен только тогда, когда вязкость жидкости очень высока, а градиент скорости жидкости очень велик.В случае стационарного течения, постоянных удельной теплоемкости и теплопроводности уравнение энергии модифицируется следующим образом:
Эти основные уравнения решаются для ламинарного течения в декартовой системе координат.Однако, как и многие другие технические проблемы, работа электрических машин в первую очередь связана с турбулентными течениями.Поэтому эти уравнения модифицируются, чтобы сформировать метод усреднения Рейнольдса Навье-Стокса (RANS) для моделирования турбулентности.
В данной работе была выбрана программа ANSYS FLUENT 2021 для CFD моделирования с соответствующими граничными условиями, такими как рассматриваемая модель: асинхронный двигатель с воздушным охлаждением мощностью 100 кВт, диаметр ротора 80,80 мм, диаметр статора 83,56 мм (внутренняя) и 190 мм (внешняя), воздушный зазор 1,38 мм, общая длина 234 мм, сумма , толщина ребер 3 мм..
Затем модель двигателя с воздушным охлаждением SolidWorks импортируется в ANSYS Fluent и моделируется.Кроме того, полученные результаты проверяются для обеспечения точности выполненного моделирования.Кроме того, интегрированный АД с воздушным и водяным охлаждением был смоделирован с использованием программного обеспечения SolidWorks 2017 и смоделирован с помощью программного обеспечения ANSYS Fluent 2021 (рис. 4).
Дизайн и размеры этой модели вдохновлены алюминиевой серией Siemens 1LA9 и смоделированы в SolidWorks 2017. Модель была немного изменена в соответствии с потребностями программного обеспечения для моделирования.Изменяйте модели САПР, удаляя ненужные детали, скругления, фаски и другие элементы при моделировании с помощью ANSYS Workbench 2021.
Конструктивным новшеством является водяная рубашка, длина которой была определена по результатам моделирования первой модели.Некоторые изменения были внесены в моделирование водяной рубашки, чтобы получить наилучшие результаты при использовании пояса в ANSYS.Различные части ИМ показаны на рис.5а–е.
(А).Сердечник ротора и вал АД.(b) Сердечник статора АД.(c) Обмотка статора АД.(d) Внешний каркас ИМ.(e) Водяная рубашка IM.f) сочетание моделей АД с воздушным и водяным охлаждением.
Установленный на валу вентилятор обеспечивает постоянный воздушный поток со скоростью 10 м/с и температуру 30 °С на поверхности ребер.Величина показателя выбирается случайным образом в зависимости от мощности анализируемого в данной статье артериального давления, которая больше указанной в литературе.Горячая зона включает ротор, статор, обмотки статора и стержни клетки ротора.Материалы статора и ротора — сталь, обмотки и стержни клетки — медь, каркас и ребра — алюминий.Тепло, выделяющееся в этих областях, обусловлено электромагнитными явлениями, такими как джоулев нагрев при пропускании внешнего тока через медную катушку, а также изменениями магнитного поля.Скорости тепловыделения различных компонентов были взяты из различной литературы, доступной для АД мощностью 100 кВт.
Интегрированные АД с воздушным и водяным охлаждением, помимо вышеперечисленных условий, также включали водяную рубашку, в которой были проанализированы теплообменные возможности и требования к мощности насоса для различных расходов воды (5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин).Этот клапан был выбран в качестве минимального клапана, так как результаты существенно не изменились при потоках ниже 5 л/мин.Кроме того, в качестве максимального значения была выбрана скорость потока 15 л/мин, так как мощность накачки значительно возросла, несмотря на то, что температура продолжала падать.
Различные модели IM были импортированы в ANSYS Fluent и далее отредактированы с помощью ANSYS Design Modeler.Далее вокруг АД был построен коробчатый кожух размерами 0,3×0,3×0,5 м для анализа движения воздуха вокруг двигателя и изучения отвода тепла в атмосферу.Подобные анализы были выполнены для интегрированных АД с воздушным и водяным охлаждением.
Модель АД моделируется с использованием численных методов CFD и FEM.Сетки строятся в CFD, чтобы разделить область на определенное количество компонентов, чтобы найти решение.Тетраэдрические сетки с соответствующими размерами элементов используются для общей сложной геометрии компонентов двигателя.Все интерфейсы были заполнены 10 слоями для получения точных результатов поверхностного теплообмена.Сеточная геометрия двух моделей ИМ показана на рис.6а, б.
Уравнение энергии позволяет изучать теплообмен в различных областях двигателя.Модель турбулентности К-эпсилон со стандартными пристеночными функциями была выбрана для моделирования турбулентности вокруг внешней поверхности.Модель учитывает кинетическую энергию (Ek) и турбулентную диссипацию (эпсилон).Медь, алюминий, сталь, воздух и вода были выбраны по их стандартным свойствам для использования в соответствующих областях применения.Скорость рассеивания тепла (см. Таблицу 2) дана в качестве входных данных, а различные условия зоны батареи установлены на 15, 17, 28, 32. Скорость воздуха над корпусом двигателя была установлена на 10 м/с для обеих моделей двигателей, а в Кроме того, для водяной рубашки были учтены три различных расхода воды (5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин).Для большей точности невязки для всех уравнений принимались равными 1 × 10–6.Выберите алгоритм SIMPLE (полунеявный метод для уравнений давления) для решения уравнений Навье Прайм (NS).После завершения гибридной инициализации установка выполнит 500 итераций, как показано на рис. 7.
Время публикации: 24 июля 2023 г.