Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ние показваме сайта без стилове и JavaScript.
Поради експлоатационните разходи и дълготрайността на двигателя, правилната стратегия за термично управление на двигателя е изключително важна.Тази статия е разработила стратегия за термично управление за асинхронни двигатели, за да осигури по-добра издръжливост и подобряване на ефективността.Освен това беше извършен обширен преглед на литературата относно методите за охлаждане на двигателя.Като основен резултат е дадено топлинно изчисление на мощен асинхронен двигател с въздушно охлаждане, като се вземе предвид добре познатият проблем за разпределението на топлината.В допълнение, това проучване предлага интегриран подход с две или повече стратегии за охлаждане, за да отговори на текущите нужди.Направено е числено изследване на модел на асинхронен двигател с въздушно охлаждане с мощност 100 kW и подобрен модел за термично управление на същия двигател, при който се постига значително увеличение на ефективността на двигателя чрез комбинация от въздушно охлаждане и интегрирана система за водно охлаждане. извършено.Беше изследвана интегрирана система с въздушно и водно охлаждане с помощта на версиите SolidWorks 2017 и ANSYS Fluent 2021.Три различни водни потока (5 L/min, 10 L/min и 15 L/min) бяха анализирани спрямо конвенционалните асинхронни двигатели с въздушно охлаждане и проверени с помощта на наличните публикувани ресурси.Анализът показва, че за различни дебити (съответно 5 L/min, 10 L/min и 15 L/min) получихме съответни понижения на температурата от 2,94%, 4,79% и 7,69%.Следователно резултатите показват, че вграденият асинхронен двигател може ефективно да намали температурата в сравнение с асинхронния двигател с въздушно охлаждане.
Електрическият двигател е едно от ключовите изобретения на съвременната инженерна наука.Електрическите двигатели се използват във всичко - от домакински уреди до превозни средства, включително автомобилната и космическата индустрия.През последните години популярността на асинхронните двигатели (AM) се увеличи поради техния висок пусков момент, добър контрол на скоростта и умерена способност за претоварване (фиг. 1).Индукционните двигатели не само карат вашите електрически крушки да светят, те захранват повечето джаджи в дома ви, от четката за зъби до вашата Tesla.Механичната енергия в ИМ се създава от контакта на магнитното поле на намотките на статора и ротора.В допълнение, IM е жизнеспособна опция поради ограниченото предлагане на редкоземни метали.Въпреки това, основният недостатък на AD е, че техният живот и ефективност са много чувствителни към температурата.Индукционните двигатели консумират около 40% от световното електричество, което трябва да ни накара да мислим, че управлението на консумацията на енергия на тези машини е от решаващо значение.
Уравнението на Арениус гласи, че за всяко повишаване на работната температура с 10°C животът на целия двигател намалява наполовина.Следователно, за да се гарантира надеждността и да се увеличи производителността на машината, е необходимо да се обърне внимание на термичния контрол на кръвното налягане.В миналото термичният анализ е бил пренебрегван и дизайнерите на двигатели са разглеждали проблема само в периферията, въз основа на опит в проектирането или други размерни променливи като плътност на тока на намотката и т.н. Тези подходи водят до прилагането на големи граници на безопасност за най-лошите условия на нагряване на корпуса, което води до увеличаване на размера на машината и следователно до увеличаване на разходите.
Има два вида термичен анализ: анализ на групова верига и числени методи.Основното предимство на аналитичните методи е възможността за бързо и точно извършване на изчисления.Трябва обаче да се положат значителни усилия, за да се дефинират вериги с достатъчна точност за симулиране на топлинни пътища.От друга страна, числените методи грубо се разделят на изчислителна динамика на флуидите (CFD) и структурен топлинен анализ (STA), като и двата използват анализ на крайните елементи (FEA).Предимството на числения анализ е, че ви позволява да моделирате геометрията на устройството.Въпреки това настройката на системата и изчисленията понякога могат да бъдат трудни.Обсъдените по-долу научни статии са избрани примери за термичен и електромагнитен анализ на различни съвременни асинхронни двигатели.Тези статии подтикнаха авторите към изследване на топлинните явления в асинхронните двигатели и методите за тяхното охлаждане.
Pil-Wan Han1 се занимаваше с термичен и електромагнитен анализ на MI.Методът за анализ на групова верига се използва за термичен анализ, а методът на променящите се във времето магнитни крайни елементи се използва за електромагнитен анализ.За да се осигури правилно термична защита от претоварване във всяко индустриално приложение, температурата на намотката на статора трябва да бъде надеждно оценена.Ahmed et al.2 предложи модел на топлинна мрежа от по-висок порядък, базиран на дълбоки термични и термодинамични съображения.Разработването на методи за термично моделиране за целите на промишлената термична защита се възползва от аналитични решения и отчитане на топлинните параметри.
Nair et al.3 използваха комбиниран анализ на 39 kW IM и 3D цифров термичен анализ, за да предскажат разпределението на топлината в електрическа машина.Ying et al.4 анализираха вентилаторно охлаждани напълно затворени (TEFC) IM с 3D оценка на температурата.Moon и др.5 изследва свойствата на топлинния поток на IM TEFC с помощта на CFD.Моделът на LPTN моторен преход е даден от Todd et al.6.Експерименталните температурни данни се използват заедно с изчислените температури, получени от предложения LPTN модел.Peter et al.7 използваха CFD за изследване на въздушния поток, който влияе върху термичното поведение на електродвигателите.
Cabral et al8 предложиха прост IM термичен модел, в който температурата на машината беше получена чрез прилагане на уравнението за дифузия на топлината на цилиндъра.Nategh et al.9 проучиха самовентилирана тягова двигателна система, използвайки CFD, за да тестват точността на оптимизираните компоненти.По този начин, числени и експериментални изследвания могат да бъдат използвани за симулиране на термичния анализ на асинхронни двигатели, вижте фиг.2.
Yinye et al.10 предложи дизайн за подобряване на термичното управление чрез използване на общите термични свойства на стандартните материали и общите източници на загуба на машинни части.Marco et al.11 представи критерии за проектиране на охладителни системи и водни ризи за машинни компоненти, използвайки CFD и LPTN модели.Yaohui et al.12 предоставят различни насоки за избор на подходящ метод за охлаждане и оценка на производителността в началото на процеса на проектиране.Nell et al.13 предложиха да се използват модели за свързана електромагнитно-термична симулация за даден диапазон от стойности, ниво на детайлност и изчислителна мощност за мултифизичен проблем.Jean et al.14 и Kim et al.15 изследваха разпределението на температурата на асинхронен двигател с въздушно охлаждане, използвайки 3D свързано FEM поле.Изчислете входните данни, като използвате 3D анализ на полето на вихрови токове, за да намерите загубите на Джаул и да ги използвате за топлинен анализ.
Michel et al.16 сравняват конвенционалните центробежни вентилатори за охлаждане с аксиални вентилатори с различни конструкции чрез симулации и експерименти.Един от тези дизайни постигна малки, но значителни подобрения в ефективността на двигателя, като същевременно поддържа същата работна температура.
Lu et al.17 използва метода на еквивалентната магнитна верига в комбинация с модела Boglietti, за да оцени загубите на желязо на вала на асинхронен двигател.Авторите приемат, че разпределението на плътността на магнитния поток във всяко напречно сечение вътре в двигателя на шпиндела е равномерно.Те сравняват своя метод с резултатите от анализа на крайните елементи и експерименталните модели.Този метод може да се използва за експресен анализ на MI, но неговата точност е ограничена.
18 представя различни методи за анализ на електромагнитното поле на линейни асинхронни двигатели.Сред тях са описани методи за оценка на загубите на мощност в реактивни релси и методи за прогнозиране на повишаването на температурата на тягови линейни асинхронни двигатели.Тези методи могат да се използват за подобряване на ефективността на преобразуване на енергията на линейни асинхронни двигатели.
Забдур и др.19 изследва работата на охлаждащите ризи с помощта на триизмерен числен метод.Охлаждащата риза използва вода като основен източник на охлаждаща течност за трифазния IM, което е важно за мощността и максималните температури, необходими за изпомпване.Rippel и др.20 са патентовали нов подход към системите за течно охлаждане, наречен напречно ламинирано охлаждане, при което хладилният агент тече напречно през тесни участъци, образувани от дупки в едно друго магнитно ламиниране.Deriszade и др.21 експериментално изследва охлаждането на тягови двигатели в автомобилната индустрия, използвайки смес от етиленгликол и вода.Оценете ефективността на различни смеси с CFD и 3D анализ на турбулентни течности.Симулационно проучване от Boopathi et al.22 показа, че температурният диапазон за двигатели с водно охлаждане (17-124°C) е значително по-малък, отколкото за двигатели с въздушно охлаждане (104-250°C).Максималната температура на алуминиевия мотор с водно охлаждане е намалена с 50,4%, а максималната температура на мотора с водно охлаждане PA6GF30 е намалена с 48,4%.Безуков и др.23 оценяват ефекта от образуването на котлен камък върху топлопроводимостта на стената на двигателя с течна охладителна система.Проучванията показват, че оксиден филм с дебелина 1,5 мм намалява топлообмена с 30%, увеличава разхода на гориво и намалява мощността на двигателя.
Tanguy et al.24 проведоха експерименти с различни дебити, температури на маслото, скорости на въртене и режими на впръскване за електрически двигатели, използващи смазочно масло като охлаждаща течност.Установена е силна връзка между дебита и общата ефективност на охлаждане.Ha et al.25 предложи използването на капкови дюзи като дюзи за равномерно разпределяне на масления филм и максимизиране на ефективността на охлаждане на двигателя.
Nandi et al.26 анализират ефекта на L-образните плоски топлинни тръби върху производителността на двигателя и управлението на топлината.Частта на изпарителя на топлинната тръба е монтирана в корпуса на двигателя или е заровена във вала на двигателя, а частта на кондензатора е монтирана и охлаждана чрез циркулираща течност или въздух.Bellettre и др.27 проучи система за охлаждане PCM твърдо-течно за преходен статор на двигателя.PCM импрегнира главите на намотките, като понижава температурата на горещата точка чрез съхраняване на латентна топлинна енергия.
По този начин производителността и температурата на двигателя се оценяват с помощта на различни стратегии за охлаждане, вижте фиг.3. Тези охлаждащи вериги са проектирани да контролират температурата на намотки, плочи, глави на навиване, магнити, каркас и крайни плочи.
Системите за течно охлаждане са известни със своя ефективен топлопренос.Изпомпването на охлаждаща течност около двигателя обаче изразходва много енергия, което намалява ефективната мощност на двигателя.Системите за въздушно охлаждане, от друга страна, са широко използван метод поради ниската си цена и лесното надграждане.Въпреки това, той все още е по-малко ефективен от системите за течно охлаждане.Необходим е интегриран подход, който може да комбинира високата производителност на топлообмен на система с течно охлаждане с ниската цена на система с въздушно охлаждане, без да се консумира допълнителна енергия.
Тази статия изброява и анализира топлинните загуби в AD.Механизмът на този проблем, както и нагряването и охлаждането на асинхронните двигатели, са обяснени в раздела Загуба на топлина при асинхронни двигатели чрез Стратегии за охлаждане.Топлинните загуби на сърцевината на асинхронния двигател се превръщат в топлина.Ето защо тази статия обсъжда механизма на пренос на топлина вътре в двигателя чрез проводимост и принудителна конвекция.Докладва се термично моделиране на IM с помощта на уравнения за непрекъснатост, уравнения на Навие-Стокс/импулс и енергийни уравнения.Изследователите извършиха аналитични и числени термични изследвания на IM, за да оценят температурата на намотките на статора с единствената цел да контролират термичния режим на електродвигателя.Тази статия се фокусира върху термичния анализ на IM с въздушно охлаждане и термичния анализ на интегрирани IM с въздушно и водно охлаждане с помощта на CAD моделиране и симулация ANSYS Fluent.А термичните предимства на интегрирания подобрен модел на системи с въздушно и водно охлаждане са задълбочено анализирани.Както бе споменато по-горе, документите, изброени тук, не са обобщение на състоянието на техниката в областта на топлинните явления и охлаждането на асинхронните двигатели, но те показват много проблеми, които трябва да бъдат решени, за да се гарантира надеждната работа на асинхронните двигатели .
Топлинните загуби обикновено се разделят на загуби на мед, загуби на желязо и загуби от триене/механични загуби.
Загубите на мед са резултат от нагряване на джаул поради съпротивлението на проводника и могат да бъдат количествено определени като 10,28:
където q̇g е генерираната топлина, I и Ve са съответно номиналният ток и напрежение, а Re е съпротивлението на медта.
Загубата на желязо, известна още като паразитна загуба, е вторият основен тип загуба, която причинява хистерезис и загуби от вихрови токове в AM, причинени главно от променящото се във времето магнитно поле.Те се определят количествено чрез разширеното уравнение на Steinmetz, чиито коефициенти могат да се считат за постоянни или променливи в зависимост от работните условия10,28,29.
където Khn е коефициентът на загуба на хистерезис, получен от диаграмата на загубата в сърцевината, Ken е коефициентът на загуба на вихров ток, N е хармоничният индекс, Bn и f са съответно пиковата плътност на потока и честотата на несинусоидалното възбуждане.Горното уравнение може да бъде допълнително опростено, както следва10,29:
Сред тях K1 и K2 са съответно коефициентът на загуба в сърцевината и загубата на вихров ток (qec), загубата на хистерезис (qh) и излишната загуба (qex).
Натоварването от вятър и загубите от триене са двете основни причини за механични загуби в IM.Загубите от вятър и триене са 10,
Във формулата n е скоростта на въртене, Kfb е коефициентът на загубите от триене, D е външният диаметър на ротора, l е дължината на ротора, G е теглото на ротора 10.
Основният механизъм за пренос на топлина в двигателя е чрез проводимост и вътрешно нагряване, както е определено от уравнението на Поасон30, приложено към този пример:
По време на работа, след определен момент от време, когато двигателят достигне стабилно състояние, генерираната топлина може да бъде приблизително изчислена чрез постоянно нагряване на повърхностния топлинен поток.Следователно може да се приеме, че проводимостта вътре в двигателя се осъществява с отделянето на вътрешна топлина.
Преносът на топлина между ребрата и околната атмосфера се счита за принудителна конвекция, когато течността е принудена да се движи в определена посока от външна сила.Конвекцията може да се изрази като 30:
където h е коефициентът на топлопреминаване (W/m2 K), A е повърхностната площ, а ΔT е температурната разлика между топлопреминаващата повърхност и хладилния агент, перпендикулярен на повърхността.Числото на Нуселт (Nu) е мярка за съотношението на конвективния и кондуктивния топлопренос перпендикулярно на границата и се избира въз основа на характеристиките на ламинарен и турбулентен поток.Според емпиричния метод числото на Нуселт на турбулентния поток обикновено се свързва с числото на Рейнолдс и числото на Прандтл, изразено като 30:
където h е коефициентът на конвективен топлопренос (W/m2 K), l е характеристичната дължина, λ е топлопроводимостта на флуида (W/m K), а числото на Прандтл (Pr) е мярка за отношението на коефициентът на дифузия на импулса спрямо коефициента на топлинна дифузия (или скорост и относителна дебелина на термичния граничен слой), определен като 30:
където k и cp са съответно топлопроводимостта и специфичният топлинен капацитет на течността.По принцип въздухът и водата са най-разпространените охлаждащи течности за електродвигатели.Течните свойства на въздуха и водата при температура на околната среда са показани в таблица 1.
IM термичното моделиране се основава на следните предположения: 3D стационарно състояние, турбулентен поток, въздухът е идеален газ, незначително излъчване, Нютонов флуид, несвиваем флуид, състояние без приплъзване и постоянни свойства.Следователно следните уравнения се използват за изпълнение на законите за запазване на масата, импулса и енергията в течната област.
В общия случай уравнението за запазване на масата е равно на нетния масов поток в клетката с течност, определен по формулата:
Според втория закон на Нютон скоростта на промяна на импулса на течна частица е равна на сумата от силите, действащи върху нея, и общото уравнение за запазване на импулса може да бъде написано във векторна форма като:
Членовете ∇p, ∇∙τij и ρg в горното уравнение представляват съответно налягане, вискозитет и гравитация.Охлаждащата среда (въздух, вода, масло и т.н.), използвана като охлаждаща течност в машини, обикновено се счита за нютонова.Показаните тук уравнения включват само линейна връзка между напрежението на срязване и градиента на скоростта (скорост на деформация), перпендикулярен на посоката на срязване.Като се има предвид постоянен вискозитет и постоянен поток, уравнение (12) може да се промени на 31:
Съгласно първия закон на термодинамиката скоростта на промяна в енергията на течна частица е равна на сумата от нетната топлина, генерирана от течната частица, и нетната мощност, произведена от течната частица.За Нютонов свиваем вискозен поток уравнението за запазване на енергията може да се изрази като31:
където Cp е топлинният капацитет при постоянно налягане, а терминът ∇ ∙ (k∇T) е свързан с топлопроводимостта през границата на течната клетка, където k означава топлопроводимостта.Преобразуването на механичната енергия в топлина се разглежда от гледна точка на \(\varnothing\) (т.е. функцията на вискозно разсейване) и се определя като:
Където \(\rho\) е плътността на течността, \(\mu\) е вискозитетът на течността, u, v и w са съответно потенциалът на посоката x, y, z на скоростта на течността.Този термин описва преобразуването на механичната енергия в топлинна енергия и може да бъде пренебрегнат, тъй като е важен само когато вискозитетът на течността е много висок и градиентът на скоростта на течността е много голям.В случай на постоянен поток, постоянна специфична топлина и топлопроводимост енергийното уравнение се модифицира, както следва:
Тези основни уравнения се решават за ламинарен поток в декартовата координатна система.Въпреки това, подобно на много други технически проблеми, работата на електрическите машини е свързана предимно с турбулентни потоци.Следователно, тези уравнения са модифицирани, за да образуват метода на осредняване на Reynolds Navier-Stokes (RANS) за моделиране на турбулентност.
В тази работа беше избрана програмата ANSYS FLUENT 2021 за CFD моделиране със съответните гранични условия, като разглеждания модел: асинхронен двигател с въздушно охлаждане с мощност 100 kW, диаметър на ротора 80,80 mm, диаметър на статора 83,56 мм (вътрешен) и 190 мм (външен), въздушна междина 1,38 мм, обща дължина 234 мм, количество , дебелина на ребрата 3 мм..
След това моделът на двигателя с въздушно охлаждане на SolidWorks се импортира в ANSYS Fluent и се симулира.В допълнение, получените резултати се проверяват, за да се гарантира точността на извършената симулация.В допълнение, интегриран IM с въздушно и водно охлаждане беше моделиран с помощта на софтуера SolidWorks 2017 и симулиран с помощта на софтуера ANSYS Fluent 2021 (Фигура 4).
Дизайнът и размерите на този модел са вдъхновени от алуминиевата серия Siemens 1LA9 и моделирани в SolidWorks 2017. Моделът е леко модифициран, за да отговаря на нуждите на софтуера за симулация.Модифицирайте CAD модели чрез премахване на нежелани части, премахване на филета, фаски и много други, когато моделирате с ANSYS Workbench 2021.
Иновация в дизайна е водната риза, чиято дължина е определена от резултатите от симулацията на първия модел.Бяха направени някои промени в симулацията на водната риза, за да се получат най-добри резултати при използване на талията в ANSYS.Различни части от IM са показани на фиг.5а–е.
(А).Роторно ядро и IM вал.б) сърцевина на статора на IM.в) IM намотка на статора.(d) Външна рамка на MI.д) IM водна риза.f) комбинация от модели IM с въздушно и водно охлаждане.
Вентилаторът, монтиран на вала, осигурява постоянен въздушен поток от 10 m/s и температура от 30 °C на повърхността на перките.Стойността на скоростта се избира произволно в зависимост от капацитета на кръвното налягане, анализирано в тази статия, което е по-голямо от посоченото в литературата.Горещата зона включва ротора, статора, статорните намотки и прътите на клетката на ротора.Материалите на статора и ротора са стомана, намотките и прътите на клетката са медни, рамката и ребрата са алуминиеви.Топлината, генерирана в тези области, се дължи на електромагнитни явления, като нагряване на Джаул, когато външен ток преминава през медна намотка, както и промени в магнитното поле.Скоростите на отделяне на топлина на различните компоненти са взети от различна налична литература за 100 kW IM.
Интегрираните IM с въздушно и водно охлаждане, в допълнение към горните условия, включват и водна риза, в която са анализирани възможностите за пренос на топлина и изискванията за мощност на помпата за различни скорости на водния поток (5 l/min, 10 l/min и 15 л/мин).Този вентил беше избран като минимален клапан, тъй като резултатите не се промениха значително за потоци под 5 L/min.В допълнение, дебит от 15 L/min беше избран като максимална стойност, тъй като мощността на изпомпване се увеличи значително въпреки факта, че температурата продължи да пада.
Различни IM модели бяха импортирани в ANSYS Fluent и допълнително редактирани с помощта на ANSYS Design Modeler.Освен това около AD беше построен корпус с форма на кутия с размери 0,3 × 0,3 × 0,5 m, за да се анализира движението на въздуха около двигателя и да се проучи отстраняването на топлина в атмосферата.Подобни анализи бяха извършени за интегрирани IM с въздушно и водно охлаждане.
IM моделът е моделиран с помощта на CFD и FEM числени методи.Мрежите са изградени в CFD, за да разделят домейн на определен брой компоненти, за да се намери решение.Тетраедричните мрежи с подходящи размери на елементите се използват за обща сложна геометрия на компонентите на двигателя.Всички интерфейси бяха запълнени с 10 слоя, за да се получат точни резултати за повърхностен топлопренос.Геометрията на мрежата на два модела MI е показана на Фиг.6а, б.
Енергийното уравнение ви позволява да изследвате преноса на топлина в различни области на двигателя.Моделът на турбулентност K-epsilon със стандартни стенни функции беше избран за моделиране на турбулентност около външната повърхност.Моделът взема предвид кинетичната енергия (Ek) и турбулентното разсейване (епсилон).Мед, алуминий, стомана, въздух и вода бяха избрани заради техните стандартни свойства за използване в съответните им приложения.Скоростите на разсейване на топлината (вижте Таблица 2) са дадени като входни данни и различните условия на зоната на батерията са зададени на 15, 17, 28, 32. Скоростта на въздуха над корпуса на двигателя е зададена на 10 m/s и за двата модела на двигателя, а в освен това бяха взети предвид три различни водни скорости за водната риза (5 l/min, 10 l/min и 15 l/min).За по-голяма точност, остатъците за всички уравнения бяха зададени равни на 1 × 10–6.Изберете алгоритъма SIMPLE (полуимплицитен метод за уравнения на налягането), за да решите уравненията на Navier Prime (NS).След като хибридната инициализация приключи, настройката ще изпълни 500 итерации, както е показано на Фигура 7.
Време на публикуване: 24 юли 2023 г