Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos nin JavaScript.
Debido aos custos operativos e á lonxevidade do motor, unha estratexia adecuada de xestión térmica do motor é extremadamente importante.Este artigo desenvolveu unha estratexia de xestión térmica para os motores de indución para proporcionar unha mellor durabilidade e mellorar a eficiencia.Ademais, realizouse unha ampla revisión da literatura sobre métodos de refrixeración do motor.Como resultado principal, dáse un cálculo térmico dun motor asíncrono refrixerado por aire de alta potencia, tendo en conta o coñecido problema da distribución da calor.Ademais, este estudo propón un enfoque integrado con dúas ou máis estratexias de refrixeración para satisfacer as necesidades actuais.Realizouse un estudo numérico dun modelo de motor asíncrono refrigerado por aire de 100 kW e dun modelo de xestión térmica mellorada do mesmo motor, onde se consegue un aumento significativo da eficiencia do motor mediante unha combinación de refrixeración por aire e un sistema integrado de refrixeración por auga. realizadas.Estudou un sistema integrado de refrixeración por aire e auga mediante as versións de SolidWorks 2017 e ANSYS Fluent 2021.Analizáronse tres fluxos de auga diferentes (5 L/min, 10 L/min e 15 L/min) fronte a motores de indución refrixerados por aire convencionais e verificáronse mediante os recursos publicados dispoñibles.A análise mostra que para diferentes caudais (5 L/min, 10 L/min e 15 L/min respectivamente) obtivemos as correspondentes reducións de temperatura do 2,94%, 4,79% e 7,69%.Polo tanto, os resultados mostran que o motor de indución incorporado pode reducir eficazmente a temperatura en comparación co motor de indución arrefriado por aire.
O motor eléctrico é un dos inventos fundamentais da ciencia da enxeñaría moderna.Os motores eléctricos utilízanse en todo, desde electrodomésticos ata vehículos, incluídas as industrias automoción e aeroespacial.Nos últimos anos, a popularidade dos motores de indución (AM) aumentou debido ao seu alto par de arranque, bo control de velocidade e capacidade de sobrecarga moderada (Fig. 1).Os motores de indución non só fan brillar as túas lámpadas, senón que alimentan a maioría dos aparellos da túa casa, desde o teu cepillo de dentes ata o teu Tesla.A enerxía mecánica en IM créase polo contacto do campo magnético dos enrolamentos do estator e do rotor.Ademais, a IM é unha opción viable debido á limitada oferta de metais de terras raras.Non obstante, a principal desvantaxe dos AD é que a súa vida útil e a súa eficiencia son moi sensibles á temperatura.Os motores de indución consomen preto do 40% da electricidade mundial, o que debería levarnos a pensar que é fundamental xestionar o consumo de enerxía destas máquinas.
A ecuación de Arrhenius indica que por cada 10 °C de aumento da temperatura de funcionamento, a vida útil de todo o motor redúcese á metade.Polo tanto, para garantir a fiabilidade e aumentar a produtividade da máquina, é necesario prestar atención ao control térmico da presión arterial.No pasado, descoidíase a análise térmica e os deseñadores de motores consideraron o problema só na periferia, baseándose na experiencia do deseño ou noutras variables dimensionais, como a densidade de corrente do bobinado, etc. condicións de calefacción da caixa, o que supón un aumento do tamaño da máquina e, polo tanto, un aumento do custo.
Hai dous tipos de análise térmica: análise de circuítos concentrados e métodos numéricos.A principal vantaxe dos métodos analíticos é a capacidade de realizar cálculos con rapidez e precisión.Porén, hai que facer un esforzo considerable para definir circuítos coa suficiente precisión para simular camiños térmicos.Por outra banda, os métodos numéricos divídense grosso modo en dinámica de fluídos computacional (CFD) e análise térmica estrutural (STA), ambos os cales utilizan análise de elementos finitos (FEA).A vantaxe da análise numérica é que permite modelar a xeometría do dispositivo.Non obstante, a configuración e os cálculos do sistema ás veces poden ser difíciles.Os artigos científicos que se comentan a continuación son exemplos seleccionados de análise térmica e electromagnética de varios motores de indución modernos.Estes artigos levaron aos autores a estudar os fenómenos térmicos en motores asíncronos e os métodos para o seu arrefriamento.
Pil-Wan Han1 dedicouse á análise térmica e electromagnética de MI.O método de análise de circuítos agrupados úsase para a análise térmica e o método de elementos finitos magnéticos variables no tempo úsase para a análise electromagnética.Para proporcionar axeitadamente protección contra sobrecargas térmicas en calquera aplicación industrial, a temperatura do enrolamento do estator debe estimarse de forma fiable.Ahmed et al.2 propuxeron un modelo de rede de calor de orde superior baseado en consideracións térmicas e termodinámicas profundas.O desenvolvemento de métodos de modelado térmico para fins de protección térmica industrial beneficia de solucións analíticas e consideración de parámetros térmicos.
Nair et al.3 utilizaron unha análise combinada dun IM de 39 kW e unha análise térmica numérica 3D para predicir a distribución térmica nunha máquina eléctrica.Ying et al.4 analizaron IMs totalmente pechados refrixerados por ventilador (TEFC) con estimación da temperatura en 3D.Moon et al.5 estudou as propiedades do fluxo de calor de IM TEFC mediante CFD.O modelo de transición motora LPTN foi dado por Todd et al.6.Os datos experimentais de temperatura utilízanse xunto coas temperaturas calculadas derivadas do modelo LPTN proposto.Peter et al.7 utilizaron CFD para estudar o fluxo de aire que afecta o comportamento térmico dos motores eléctricos.
Cabral et al8 propuxeron un modelo térmico IM sinxelo no que a temperatura da máquina se obtiña aplicando a ecuación de difusión da calor do cilindro.Nategh et al.9 estudaron un sistema de motor de tracción autoventilado mediante CFD para probar a precisión dos compoñentes optimizados.Así, pódense utilizar estudos numéricos e experimentais para simular a análise térmica de motores de indución, ver fig.2.
Yinye et al.10 propuxeron un deseño para mellorar a xestión térmica explotando as propiedades térmicas comúns dos materiais estándar e as fontes comúns de perda de pezas da máquina.Marco et al.11 presentaron criterios para deseñar sistemas de refrixeración e camisas de auga para compoñentes de máquinas utilizando modelos CFD e LPTN.Yaohui et al.12 proporcionan varias pautas para seleccionar un método de refrixeración adecuado e avaliar o rendemento no inicio do proceso de deseño.Nell et al.13 propuxeron utilizar modelos para a simulación electromagnética-térmica acoplada para un determinado rango de valores, nivel de detalle e potencia de cálculo para un problema multifísico.Jean et al.14 e Kim et al.15 estudaron a distribución de temperatura dun motor de indución arrefriado por aire mediante un campo FEM acoplado en 3D.Calcula os datos de entrada mediante a análise de campos de correntes de Foucault 3D para atopar perdas en Joule e utilízaas para a análise térmica.
Michel et al.16 compararon ventiladores centrífugos convencionais con ventiladores axiais de varios deseños mediante simulacións e experimentos.Un destes deseños conseguiu pequenas pero significativas melloras na eficiencia do motor mantendo a mesma temperatura de funcionamento.
Lu et al.17 utilizaron o método de circuíto magnético equivalente en combinación co modelo de Boglietti para estimar as perdas de ferro no eixe dun motor de indución.Os autores supoñen que a distribución da densidade de fluxo magnético en calquera sección transversal dentro do motor do fuso é uniforme.Compararon o seu método cos resultados da análise de elementos finitos e modelos experimentais.Este método pódese usar para a análise expresa de MI, pero a súa precisión é limitada.
18 presenta varios métodos para analizar o campo electromagnético dos motores de indución lineal.Entre eles, descríbense métodos para estimar as perdas de potencia en carrís reactivos e métodos para predicir o aumento de temperatura dos motores de indución lineal de tracción.Estes métodos pódense usar para mellorar a eficiencia de conversión de enerxía dos motores de indución lineais.
Zabdur et al.19 investigou o rendemento das camisas de refrixeración mediante un método numérico tridimensional.A camisa de refrixeración usa auga como principal fonte de refrixerante para o IM trifásico, que é importante para a potencia e as temperaturas máximas necesarias para o bombeo.Rippel et al.20 patentaron unha nova aproximación aos sistemas de refrixeración líquida denominada refrixeración laminada transversal, na que o refrixerante flúe transversalmente a través de rexións estreitas formadas por buratos uns nos outros laminados magnéticos.Deriszade et al.21 investigou experimentalmente o arrefriamento dos motores de tracción na industria do automóbil utilizando unha mestura de etilenglicol e auga.Avaliar o rendemento de varias mesturas con CFD e análise 3D de fluídos turbulentos.Un estudo de simulación realizado por Boopathi et al.22 mostrou que o intervalo de temperatura dos motores refrixerados por auga (17-124 °C) é significativamente menor que dos motores refrixerados por aire (104-250 °C).A temperatura máxima do motor de aluminio refrixerado por auga redúcese nun 50,4% e a temperatura máxima do motor PA6GF30 refrixerado por auga redúcese nun 48,4%.Bezukov et al.23 avaliaron o efecto da formación de escamas sobre a condutividade térmica da parede do motor cun sistema de refrixeración líquida.Os estudos demostraron que unha película de óxido de 1,5 mm de espesor reduce a transferencia de calor nun 30%, aumenta o consumo de combustible e reduce a potencia do motor.
Tanguy et al.24 realizaron experimentos con varios caudais, temperaturas de aceite, velocidades de rotación e modos de inxección para motores eléctricos utilizando aceite lubricante como refrixerante.Estableceuse unha forte relación entre o caudal e a eficiencia global de arrefriamento.Ha et al.25 suxeriron usar boquillas de goteo como boquillas para distribuír uniformemente a película de aceite e maximizar a eficiencia de refrixeración do motor.
Nandi et al.26 analizaron o efecto dos tubos de calor planos en forma de L sobre o rendemento do motor e a xestión térmica.A parte do evaporador do tubo de calor está instalada na carcasa do motor ou enterrada no eixe do motor, e a parte do condensador instálase e arrefríase mediante a circulación de líquido ou aire.Bellettre et al.27 estudou un sistema de refrixeración sólido-líquido PCM para un estator de motor transitorio.O PCM impregna as cabezas de enrolamento, baixando a temperatura do punto quente almacenando enerxía térmica latente.
Así, o rendemento e a temperatura do motor avalíanse mediante diferentes estratexias de refrixeración, ver fig.3. Estes circuítos de refrixeración están deseñados para controlar a temperatura de enrolamentos, placas, cabezales de enrolamento, imáns, carcasa e placas finais.
Os sistemas de refrixeración líquida son coñecidos pola súa eficiente transferencia de calor.Non obstante, bombear líquido de refrixeración ao redor do motor consome moita enerxía, o que reduce a potencia efectiva do motor.Os sistemas de refrixeración por aire, por outra banda, son un método moi utilizado debido ao seu baixo custo e facilidade de actualización.Non obstante, aínda é menos eficiente que os sistemas de refrixeración líquida.Necesítase un enfoque integrado que poida combinar o alto rendemento de transferencia de calor dun sistema de refrixeración líquida co baixo custo dun sistema de refrixeración por aire sen consumir enerxía adicional.
Este artigo enumera e analiza as perdas de calor en AD.O mecanismo deste problema, así como o quecemento e arrefriamento dos motores de indución, explícase na sección de Perdas de calor nos motores de indución a través de Estratexias de refrixeración.A perda de calor do núcleo dun motor de indución convértese en calor.Polo tanto, este artigo analiza o mecanismo de transferencia de calor dentro do motor por condución e convección forzada.Infórmase do modelado térmico de IM mediante ecuacións de continuidade, ecuacións de Navier-Stokes/momento e ecuacións de enerxía.Os investigadores realizaron estudos térmicos analíticos e numéricos de IM para estimar a temperatura dos devanados do estator co único propósito de controlar o réxime térmico do motor eléctrico.Este artigo céntrase na análise térmica dos IM refrixerados por aire e na análise térmica dos IM integrados refrixerados por aire e por auga mediante o modelado CAD e a simulación ANSYS Fluent.E analízanse profundamente as vantaxes térmicas do modelo mellorado integrado de sistemas de refrixeración por aire e por auga.Como se mencionou anteriormente, os documentos aquí enumerados non son un resumo do estado da arte no campo dos fenómenos térmicos e do refrixeración dos motores de indución, pero indican moitos problemas que deben resolverse para garantir o funcionamento fiable dos motores de indución. .
A perda de calor adoita dividirse en perda de cobre, perda de ferro e perda por fricción/perda mecánica.
As perdas de cobre son o resultado do quecemento Joule debido á resistividade do condutor e pódense cuantificar como 10,28:
onde qg é a calor xerada, I e Ve son a corrente nominal e a tensión, respectivamente, e Re é a resistencia do cobre.
A perda de ferro, tamén coñecida como perda parasitaria, é o segundo tipo principal de perda que causa histérese e perdas de correntes parásitas en AM, causadas principalmente polo campo magnético variable no tempo.Cuantificanse mediante a ecuacin de Steinmetz estendida, cuxos coeficientes poden considerarse constantes ou variables en funcin das condicins de funcionamento10,28,29.
onde Khn é o factor de perdas por histérese derivado do diagrama de perdas do núcleo, Ken é o factor de perdas por correntes de Foucault, N é o índice harmónico, Bn e f son a densidade de fluxo máxima e a frecuencia da excitación non sinusoidal, respectivamente.A ecuación anterior pódese simplificar aínda máis como segue10,29:
Entre eles, K1 e K2 son o factor de perda do núcleo e a perda de correntes de Foucault (qec), a perda de histérese (qh) e a perda de exceso (qex), respectivamente.
A carga do vento e as perdas por rozamento son as dúas principais causas de perdas mecánicas en IM.As perdas por vento e fricción son 10,
Na fórmula, n é a velocidade de rotación, Kfb é o coeficiente de perdas por fricción, D é o diámetro exterior do rotor, l é a lonxitude do rotor, G é o peso do rotor 10.
O mecanismo principal para a transferencia de calor dentro do motor é a través da condución e o quecemento interno, segundo o determinado pola ecuación de Poisson30 aplicada a este exemplo:
Durante o funcionamento, despois dun determinado momento no que o motor alcanza o estado estacionario, a calor xerada pódese aproximar mediante un quecemento constante do fluxo de calor da superficie.Polo tanto, pódese supoñer que a condución no interior do motor lévase a cabo coa liberación de calor interna.
A transferencia de calor entre as aletas e a atmosfera circundante considérase convección forzada, cando o fluído é forzado a moverse nunha determinada dirección por unha forza externa.A convección pódese expresar como 30:
onde h é o coeficiente de transferencia de calor (W/m2 K), A é a superficie e ΔT é a diferenza de temperatura entre a superficie de transferencia de calor e o refrixerante perpendicular á superficie.O número de Nusselt (Nu) é unha medida da relación de transferencia de calor convectiva e condutora perpendicular ao límite e escóllese en función das características do fluxo laminar e turbulento.Segundo o método empírico, o número de Nusselt de fluxo turbulento adoita asociarse co número de Reynolds e co número de Prandtl, expresado como 30:
onde h é o coeficiente de transferencia de calor convectivo (W/m2 K), l é a lonxitude característica, λ é a condutividade térmica do fluído (W/m K) e o número de Prandtl (Pr) é unha medida da relación de o coeficiente de difusión do momento á difusividade térmica (ou velocidade e espesor relativo da capa límite térmica), definido como 30:
onde k e cp son a condutividade térmica e a capacidade calorífica específica do líquido, respectivamente.En xeral, o aire e a auga son os refrixerantes máis comúns para os motores eléctricos.As propiedades líquidas do aire e da auga a temperatura ambiente móstranse na táboa 1.
O modelado térmico IM baséase nos seguintes supostos: estado estacionario 3D, fluxo turbulento, aire é un gas ideal, radiación insignificante, fluído newtoniano, fluído incompresible, condición antideslizante e propiedades constantes.Polo tanto, as seguintes ecuacións utilízanse para cumprir as leis de conservación da masa, momento e enerxía na rexión líquida.
No caso xeral, a ecuación de conservación de masa é igual ao fluxo de masa neto á cela con líquido, determinado pola fórmula:
Segundo a segunda lei de Newton, a taxa de cambio do momento dunha partícula líquida é igual á suma das forzas que actúan sobre ela, e a ecuación xeral de conservación do momento pódese escribir en forma vectorial como:
Os termos ∇p, ∇∙τij e ρg na ecuación anterior representan presión, viscosidade e gravidade, respectivamente.Os medios de refrixeración (aire, auga, aceite, etc.) utilizados como refrixerantes nas máquinas considéranse xeralmente newtonianos.As ecuacións mostradas aquí só inclúen unha relación lineal entre o esforzo cortante e un gradiente de velocidade (tasa de deformación) perpendicular á dirección de corte.Considerando a viscosidade constante e o fluxo constante, a ecuación (12) pódese cambiar a 31:
Segundo a primeira lei da termodinámica, a taxa de cambio na enerxía dunha partícula líquida é igual á suma da calor neta xerada pola partícula líquida e a potencia neta producida pola partícula líquida.Para un fluxo viscoso compresible newtoniano, a ecuación de conservación de enerxía pódese expresar como:
onde Cp é a capacidade calorífica a presión constante, e o termo ∇ ∙ (k∇T) está relacionado coa condutividade térmica a través do límite da célula líquida, onde k denota a condutividade térmica.A conversión de enerxía mecánica en calor considérase en termos de \(\varnothing\) (é dicir, a función de disipación viscosa) e defínese como:
Onde \(\rho\) é a densidade do líquido, \(\mu\) é a viscosidade do líquido, u, v e w son o potencial da dirección x, y, z da velocidade do líquido, respectivamente.Este termo describe a conversión de enerxía mecánica en enerxía térmica e pódese ignorar porque só é importante cando a viscosidade do fluído é moi alta e o gradiente de velocidade do fluído é moi grande.No caso de fluxo constante, calor específica constante e condutividade térmica, a ecuación de enerxía modifícase do seguinte xeito:
Estas ecuacións básicas resólvense para o fluxo laminar no sistema de coordenadas cartesianas.Non obstante, como moitos outros problemas técnicos, o funcionamento das máquinas eléctricas está asociado principalmente a fluxos turbulentos.Polo tanto, estas ecuacións modifícanse para formar o método de media de Reynolds Navier-Stokes (RANS) para o modelado de turbulencias.
Neste traballo escolleuse o programa ANSYS FLUENT 2021 para a modelización CFD coas correspondentes condicións de contorno, como o modelo considerado: un motor asíncrono con arrefriamento por aire cunha capacidade de 100 kW, o diámetro do rotor 80,80 mm, o diámetro do estator 83,56 mm (interno) e 190 mm (externo), un espazo de aire de 1,38 mm, a lonxitude total de 234 mm, a cantidade , o espesor das costelas 3 mm..
O modelo de motor de SolidWorks refrixerado por aire impórtase despois a ANSYS Fluent e simulase.Ademais, compróbanse os resultados obtidos para garantir a precisión da simulación realizada.Ademais, modelouse un IM integrado refrixerado por aire e auga mediante o software SolidWorks 2017 e simulouse mediante o software ANSYS Fluent 2021 (Figura 4).
O deseño e as dimensións deste modelo están inspirados na serie de aluminio Siemens 1LA9 e modelados en SolidWorks 2017. O modelo foi lixeiramente modificado para adaptarse ás necesidades do software de simulación.Modifique os modelos CAD eliminando pezas non desexadas, eliminando filetes, chafláns e moito máis ao modelar con ANSYS Workbench 2021.
Unha innovación de deseño é a chaqueta de auga, cuxa lonxitude se determinou a partir dos resultados da simulación do primeiro modelo.Realizáronse algúns cambios na simulación da chaqueta de auga para obter os mellores resultados ao usar a cintura en ANSYS.Varias partes do IM móstranse na fig.5a-f.
(A).Núcleo do rotor e eixo IM.(b) Núcleo do estator IM.(c) Enrolamento do estator IM.(d) Marco externo do MI.(e) Chaqueta de auga IM.f) combinación de modelos IM refrixerados por aire e auga.
O ventilador montado no eixe proporciona un fluxo de aire constante de 10 m/s e unha temperatura de 30 °C na superficie das aletas.O valor da taxa escóllese aleatoriamente en función da capacidade da presión arterial analizada neste artigo, que é superior á indicada na literatura.A zona quente inclúe o rotor, o estator, os enrolamentos do estator e as barras da gaiola do rotor.Os materiais do estator e do rotor son aceiro, os enrolamentos e as varillas da gaiola son de cobre, o marco e as costelas son de aluminio.A calor xerada nestas zonas débese a fenómenos electromagnéticos, como o quecemento Joule cando unha corrente externa pasa por unha bobina de cobre, así como a cambios no campo magnético.As taxas de liberación de calor dos distintos compoñentes foron tomadas de diversas bibliografías dispoñibles para un IM de 100 kW.
Os IM integrados refrixerados por aire e por auga, ademais das condicións anteriores, tamén incluíron unha camisa de auga, na que se analizaron as capacidades de transferencia de calor e os requisitos de potencia da bomba para varios caudais de auga (5 l/min, 10 l/min). e 15 l/min).Esta válvula escolleuse como válvula mínima, xa que os resultados non cambiaron significativamente para caudais inferiores a 5 L/min.Ademais, escolleuse como valor máximo un caudal de 15 L/min, xa que a potencia de bombeo aumentou significativamente a pesar de que a temperatura continuou baixando.
Importáronse varios modelos de IM en ANSYS Fluent e editáronse aínda máis mediante ANSYS Design Modeler.Ademais, construíuse unha carcasa en forma de caixa cunhas dimensións de 0,3 × 0,3 × 0,5 m ao redor do AD para analizar o movemento do aire ao redor do motor e estudar a eliminación de calor á atmosfera.Realizáronse análises similares para IM integrados refrixerados por aire e auga.
O modelo IM está modelado mediante métodos numéricos CFD e FEM.As mallas constrúense en CFD para dividir un dominio nun determinado número de compoñentes co fin de atopar unha solución.As mallas tetraédricas con tamaños de elementos apropiados utilízanse para a xeometría complexa xeral dos compoñentes do motor.Todas as interfaces enchéronse con 10 capas para obter resultados precisos de transferencia de calor superficial.A xeometría de cuadrícula de dous modelos MI móstrase na Fig.6a, b.
A ecuación de enerxía permítelle estudar a transferencia de calor en varias áreas do motor.Elixiuse o modelo de turbulencia K-epsilon con funcións de parede estándar para modelar a turbulencia arredor da superficie exterior.O modelo ten en conta a enerxía cinética (Ek) e a disipación turbulenta (épsilon).Seleccionáronse cobre, aluminio, aceiro, aire e auga polas súas propiedades estándar para o seu uso nas súas respectivas aplicacións.As taxas de disipación de calor (consulte a Táboa 2) indícanse como entradas e as diferentes condicións da zona da batería están definidas en 15, 17, 28, 32. A velocidade do aire sobre a carcasa do motor foi definida en 10 m/s para ambos os modelos de motores e Ademais, tivéronse en conta tres taxas de auga diferentes para a camisa de auga (5 l/min, 10 l/min e 15 l/min).Para unha maior precisión, os residuos de todas as ecuacións foron iguais a 1 × 10–6.Seleccione o algoritmo SIMPLE (Método semi-implícito para ecuacións de presión) para resolver as ecuacións de Navier Prime (NS).Despois de completar a inicialización híbrida, a configuración executará 500 iteracións, como se mostra na Figura 7.
Hora de publicación: 24-Xul-2023