การวิเคราะห์การจัดการความร้อนของมอเตอร์เหนี่ยวนำโดยการรวมระบบระบายความร้อนด้วยอากาศและระบบระบายความร้อนด้วยน้ำเข้าด้วยกัน

ขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันที่มีการรองรับ CSS ที่จำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)ในระหว่างนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจึงแสดงไซต์ที่ไม่มีสไตล์และ JavaScript
เนื่องจากต้นทุนการดำเนินงานและอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ กลยุทธ์การจัดการความร้อนของเครื่องยนต์ที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งบทความนี้ได้พัฒนากลยุทธ์การจัดการระบายความร้อนสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำเพื่อให้มีความทนทานและปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดีขึ้นนอกจากนี้ยังมีการทบทวนวรรณกรรมเกี่ยวกับวิธีการระบายความร้อนของเครื่องยนต์อย่างละเอียดผลลัพธ์หลักคือการคำนวณความร้อนของมอเตอร์แบบอะซิงโครนัสระบายความร้อนด้วยอากาศกำลังสูง โดยคำนึงถึงปัญหาการกระจายความร้อนที่ทราบกันดีนอกจากนี้ การศึกษานี้ยังเสนอวิธีการแบบบูรณาการด้วยกลยุทธ์การทำความเย็นตั้งแต่สองแบบขึ้นไปเพื่อตอบสนองความต้องการในปัจจุบันการศึกษาเชิงตัวเลขของโมเดลมอเตอร์แบบอะซิงโครนัสระบายความร้อนด้วยอากาศขนาด 100 กิโลวัตต์และรูปแบบการจัดการความร้อนที่ได้รับการปรับปรุงของมอเตอร์ตัวเดียวกัน ซึ่งการเพิ่มประสิทธิภาพมอเตอร์อย่างมีนัยสำคัญทำได้โดยการผสมผสานระหว่างการระบายความร้อนด้วยอากาศและระบบระบายความร้อนด้วยน้ำในตัว ดำเนินการ.ศึกษาระบบระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำแบบผสมผสานโดยใช้ SolidWorks 2017 และ ANSYS Fluent 2021การไหลของน้ำที่แตกต่างกันสามแบบ (5 ลิตร/นาที, 10 ลิตร/นาที และ 15 ลิตร/นาที) ได้รับการวิเคราะห์เทียบกับมอเตอร์เหนี่ยวนำระบายความร้อนด้วยอากาศทั่วไป และตรวจสอบความถูกต้องโดยใช้ทรัพยากรที่เผยแพร่ที่มีอยู่การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าสำหรับอัตราการไหลที่แตกต่างกัน (5 ลิตร/นาที, 10 ลิตร/นาที และ 15 ลิตร/นาที ตามลำดับ) เราได้รับการลดอุณหภูมิที่สอดคล้องกันที่ 2.94%, 4.79% และ 7.69%ดังนั้น ผลปรากฏว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำแบบฝังตัวสามารถลดอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบระบายความร้อนด้วยอากาศ
มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญของวิทยาศาสตร์วิศวกรรมสมัยใหม่มอเตอร์ไฟฟ้าใช้ในทุกสิ่งตั้งแต่เครื่องใช้ในครัวเรือนไปจนถึงยานพาหนะ รวมถึงอุตสาหกรรมยานยนต์และอวกาศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความนิยมของมอเตอร์เหนี่ยวนำ (AM) เพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงบิดเริ่มต้นสูง การควบคุมความเร็วที่ดี และความจุโอเวอร์โหลดปานกลาง (รูปที่ 1)มอเตอร์เหนี่ยวนำไม่เพียงแต่ทำให้หลอดไฟของคุณเรืองแสงเท่านั้น แต่ยังให้พลังงานแก่อุปกรณ์ส่วนใหญ่ในบ้านของคุณ ตั้งแต่แปรงสีฟันไปจนถึงเทสลาพลังงานกลใน IM ถูกสร้างขึ้นโดยการสัมผัสของสนามแม่เหล็กของขดลวดสเตเตอร์และโรเตอร์นอกจากนี้ IM ยังเป็นตัวเลือกที่ใช้การได้เนื่องจากโลหะหายากมีจำนวนจำกัดอย่างไรก็ตาม ข้อเสียเปรียบหลักของ AD คืออายุการใช้งานและประสิทธิภาพของมันไวต่ออุณหภูมิมากมอเตอร์เหนี่ยวนำใช้พลังงานไฟฟ้าประมาณ 40% ของโลก ซึ่งน่าจะทำให้เราคิดว่าการจัดการการใช้พลังงานของเครื่องจักรเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญ
สมการ Arrhenius ระบุว่า ทุกๆ 10°C ที่อุณหภูมิในการทำงานสูงขึ้น อายุของเครื่องยนต์ทั้งหมดจะลดลงครึ่งหนึ่งดังนั้นเพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจึงจำเป็นต้องให้ความสนใจกับการควบคุมอุณหภูมิของความดันโลหิตในอดีต การวิเคราะห์เชิงความร้อนมักถูกละเลย และนักออกแบบมอเตอร์ได้พิจารณาปัญหาเฉพาะบริเวณรอบนอกเท่านั้น โดยพิจารณาจากประสบการณ์การออกแบบหรือตัวแปรมิติอื่นๆ เช่น ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่คดเคี้ยว เป็นต้น วิธีการเหล่านี้นำไปสู่การใช้ส่วนต่างความปลอดภัยที่มากสำหรับที่เลวร้ายที่สุด- สภาวะการทำความร้อนของเคส ส่งผลให้ขนาดเครื่องจักรเพิ่มขึ้น และทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น
การวิเคราะห์เชิงความร้อนมีสองประเภท: การวิเคราะห์วงจรแบบก้อนและวิธีการเชิงตัวเลขข้อได้เปรียบหลักของวิธีการวิเคราะห์คือความสามารถในการคำนวณอย่างรวดเร็วและแม่นยำอย่างไรก็ตาม ต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการกำหนดวงจรที่มีความแม่นยำเพียงพอในการจำลองเส้นทางความร้อนในทางกลับกัน วิธีการเชิงตัวเลขจะแบ่งคร่าวๆ ออกเป็นการคำนวณพลศาสตร์ของไหล (CFD) และการวิเคราะห์เชิงความร้อนของโครงสร้าง (STA) ซึ่งทั้งสองวิธีนี้ใช้การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA)ข้อดีของการวิเคราะห์เชิงตัวเลขคือช่วยให้คุณสร้างแบบจำลองรูปทรงเรขาคณิตของอุปกรณ์ได้อย่างไรก็ตาม การตั้งค่าระบบและการคำนวณอาจเป็นเรื่องยากในบางครั้งบทความทางวิทยาศาสตร์ที่กล่าวถึงด้านล่างเป็นตัวอย่างของการวิเคราะห์ทางความร้อนและแม่เหล็กไฟฟ้าของมอเตอร์เหนี่ยวนำที่ทันสมัยต่างๆบทความเหล่านี้กระตุ้นให้ผู้เขียนศึกษาปรากฏการณ์ทางความร้อนในมอเตอร์แบบอะซิงโครนัสและวิธีการระบายความร้อน
Pil-Wan Han1 มีส่วนร่วมในการวิเคราะห์ความร้อนและแม่เหล็กไฟฟ้าของ MIวิธีการวิเคราะห์วงจรแบบก้อนใช้สำหรับการวิเคราะห์เชิงความร้อน และใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์แบบแม่เหล็กแปรผันตามเวลาสำหรับการวิเคราะห์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้การป้องกันโอเวอร์โหลดความร้อนอย่างเหมาะสมในการใช้งานทางอุตสาหกรรมใดๆ จะต้องประมาณอุณหภูมิของขดลวดสเตเตอร์ได้อย่างน่าเชื่อถือAhmed et al.2 เสนอแบบจำลองเครือข่ายความร้อนลำดับที่สูงกว่าโดยพิจารณาจากการพิจารณาเชิงลึกทางความร้อนและอุณหพลศาสตร์การพัฒนาวิธีการสร้างแบบจำลองทางความร้อนสำหรับวัตถุประสงค์ในการป้องกันความร้อนทางอุตสาหกรรมได้รับประโยชน์จากโซลูชันการวิเคราะห์และการพิจารณาพารามิเตอร์ทางความร้อน
Nair et al.3 ใช้การวิเคราะห์ร่วมกันของ 39 kW IM และการวิเคราะห์ความร้อนเชิงตัวเลข 3 มิติเพื่อทำนายการกระจายความร้อนในเครื่องจักรไฟฟ้าYing et al.4 วิเคราะห์ IM ที่ระบายความร้อนด้วยพัดลม (TEFC) ด้วยการประมาณอุณหภูมิแบบ 3 มิติพระจันทร์และคณะ5 ศึกษาคุณสมบัติการไหลของความร้อนของ IM TEFC โดยใช้ CFDโมเดลการเปลี่ยนมอเตอร์ LPTN มอบให้โดย Todd et al.6ใช้ข้อมูลอุณหภูมิการทดลองพร้อมกับอุณหภูมิที่คำนวณได้จากแบบจำลอง LPTN ที่เสนอPeter et al.7 ใช้ CFD เพื่อศึกษาการไหลของอากาศที่ส่งผลต่อพฤติกรรมการระบายความร้อนของมอเตอร์ไฟฟ้า
Cabral et al8 เสนอแบบจำลองความร้อน IM อย่างง่ายซึ่งได้รับอุณหภูมิของเครื่องโดยใช้สมการการแพร่กระจายความร้อนของกระบอกสูบNategh และคณะ 9 ศึกษาระบบมอเตอร์ฉุดแบบระบายอากาศได้เองโดยใช้ CFD เพื่อทดสอบความแม่นยำของส่วนประกอบที่ปรับให้เหมาะสมดังนั้นจึงสามารถใช้การศึกษาเชิงตัวเลขและเชิงทดลองเพื่อจำลองการวิเคราะห์เชิงความร้อนของมอเตอร์เหนี่ยวนำได้ ดูรูปที่2.
Yinye และคณะ 10 เสนอการออกแบบเพื่อปรับปรุงการจัดการระบายความร้อนโดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางความร้อนทั่วไปของวัสดุมาตรฐานและแหล่งที่มาทั่วไปของการสูญเสียชิ้นส่วนเครื่องจักรMarco et al.11 ได้นำเสนอหลักเกณฑ์สำหรับการออกแบบระบบระบายความร้อนและ Water Jacket สำหรับส่วนประกอบเครื่องจักรโดยใช้แบบจำลอง CFD และ LPTNYaohui et al.12 ให้แนวทางที่หลากหลายสำหรับการเลือกวิธีการระบายความร้อนที่เหมาะสมและการประเมินประสิทธิภาพในช่วงต้นของกระบวนการออกแบบNell et al.13 เสนอให้ใช้แบบจำลองสำหรับการจำลองแม่เหล็กไฟฟ้า-ความร้อนแบบคู่สำหรับช่วงของค่า ระดับรายละเอียด และกำลังการคำนวณที่กำหนดสำหรับปัญหามัลติฟิสิกส์Jean et al.14 และ Kim et al.15 ศึกษาการกระจายอุณหภูมิของมอเตอร์เหนี่ยวนำที่ระบายความร้อนด้วยอากาศโดยใช้ฟิลด์ FEM ควบคู่ 3 มิติคำนวณข้อมูลอินพุตโดยใช้การวิเคราะห์ฟิลด์กระแสวนแบบ 3 มิติเพื่อค้นหาการสูญเสียจูลและใช้สำหรับการวิเคราะห์เชิงความร้อน
Michel et al.16 เปรียบเทียบพัดลมระบายความร้อนแบบแรงเหวี่ยงธรรมดากับพัดลมแกนของการออกแบบต่างๆ ผ่านการจำลองและการทดลองหนึ่งในการออกแบบเหล่านี้ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์เล็กน้อยแต่มีนัยสำคัญในขณะที่ยังคงรักษาอุณหภูมิการทำงานเท่าเดิม
Lu et al.17 ใช้วิธีวงจรแม่เหล็กสมมูลร่วมกับแบบจำลอง Boglietti เพื่อประเมินการสูญเสียธาตุเหล็กบนเพลาของมอเตอร์เหนี่ยวนำผู้เขียนสันนิษฐานว่าการกระจายความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กในส่วนตัดขวางใดๆ ภายในแกนหมุนมอเตอร์นั้นมีความสม่ำเสมอพวกเขาเปรียบเทียบวิธีการของพวกเขากับผลการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์และแบบจำลองการทดลองวิธีนี้สามารถใช้สำหรับการวิเคราะห์ MI แบบด่วน แต่ความแม่นยำจะถูกจำกัด
18 นำเสนอวิธีการต่างๆ ในการวิเคราะห์สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของมอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้นในหมู่พวกเขา มีการอธิบายวิธีการประมาณการสูญเสียพลังงานในรางปฏิกิริยาและวิธีการทำนายอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของมอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้นแรงดึงวิธีการเหล่านี้สามารถใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของมอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้น
ซับดูร์และคณะ19 ตรวจสอบประสิทธิภาพของเสื้อระบายความร้อนโดยใช้วิธีการเชิงตัวเลขสามมิติเสื้อระบายความร้อนใช้น้ำเป็นแหล่งจ่ายน้ำหล่อเย็นหลักสำหรับ IM สามเฟส ซึ่งมีความสำคัญต่อกำลังและอุณหภูมิสูงสุดที่จำเป็นสำหรับการสูบน้ำRippel และคณะบริษัท 20 ได้จดสิทธิบัตรวิธีการใหม่สำหรับระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวที่เรียกว่าการทำความเย็นแบบลามิเนตตามขวาง ซึ่งสารทำความเย็นจะไหลตามขวางผ่านบริเวณแคบๆ ที่เกิดจากรูในการเคลือบแม่เหล็กซึ่งกันและกันDeriszade และคณะ21 ทดลองตรวจสอบการระบายความร้อนของมอเตอร์ลากในอุตสาหกรรมยานยนต์โดยใช้ส่วนผสมของเอทิลีนไกลคอลและน้ำประเมินประสิทธิภาพของสารผสมต่างๆ ด้วย CFD และการวิเคราะห์ของไหลปั่นป่วน 3 มิติการศึกษาแบบจำลองโดย Boopathi และคณะ 22 แสดงให้เห็นว่าช่วงอุณหภูมิสำหรับเครื่องยนต์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ (17-124°C) นั้นน้อยกว่าสำหรับเครื่องยนต์ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ (104-250°C) อย่างเห็นได้ชัดอุณหภูมิสูงสุดของมอเตอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำอะลูมิเนียมลดลง 50.4% และอุณหภูมิสูงสุดของมอเตอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำ PA6GF30 ลดลง 48.4%Bezukov et al.23 ประเมินผลของการก่อตัวของตะกรันต่อการนำความร้อนของผนังเครื่องยนต์ด้วยระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวจากการศึกษาพบว่าฟิล์มออกไซด์หนา 1.5 มม. ช่วยลดการถ่ายเทความร้อนได้ 30% เพิ่มการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง และลดกำลังเครื่องยนต์
Tanguy et al.24 ทำการทดลองกับอัตราการไหล อุณหภูมิน้ำมัน ความเร็วรอบ และโหมดการฉีดต่างๆ สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าโดยใช้น้ำมันหล่อลื่นเป็นสารหล่อเย็นมีการสร้างความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างอัตราการไหลและประสิทธิภาพการทำความเย็นโดยรวมHa et al.25 แนะนำให้ใช้หัวฉีดแบบหยดเป็นหัวฉีดเพื่อกระจายฟิล์มน้ำมันอย่างสม่ำเสมอและเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนของเครื่องยนต์ให้สูงสุด
Nandi et al.26 วิเคราะห์ผลกระทบของท่อความร้อนแบนรูปตัว L ต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และการจัดการระบายความร้อนส่วนเครื่องระเหยท่อความร้อนติดตั้งอยู่ในปลอกมอเตอร์หรือฝังอยู่ในเพลามอเตอร์ และส่วนคอนเดนเซอร์ได้รับการติดตั้งและระบายความร้อนด้วยการไหลเวียนของของเหลวหรืออากาศเบลเลตต์และคณะ27 ศึกษาระบบระบายความร้อนด้วยของแข็งและของเหลว PCM สำหรับสเตเตอร์ของมอเตอร์ชั่วคราวPCM ชุบหัวม้วน ช่วยลดอุณหภูมิจุดร้อนโดยเก็บพลังงานความร้อนที่แฝงไว้
ดังนั้น ประสิทธิภาพของมอเตอร์และอุณหภูมิจึงได้รับการประเมินโดยใช้กลยุทธ์การระบายความร้อนที่แตกต่างกัน ดูรูปที่3. วงจรระบายความร้อนเหล่านี้ได้รับการออกแบบเพื่อควบคุมอุณหภูมิของขดลวด, แผ่น, หัวม้วน, แม่เหล็ก, ซากและแผ่นปิดท้าย
ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวขึ้นชื่อในด้านการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพอย่างไรก็ตาม การสูบจ่ายน้ำหล่อเย็นรอบๆ เครื่องยนต์จะใช้พลังงานจำนวนมาก ซึ่งทำให้กำลังขับที่มีประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ลดลงในทางกลับกัน ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากต้นทุนต่ำและง่ายต่อการอัพเกรดอย่างไรก็ตาม มันยังมีประสิทธิภาพน้อยกว่าระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวจำเป็นต้องมีวิธีการแบบผสมผสานที่สามารถรวมประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูงของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวเข้ากับระบบระบายความร้อนด้วยอากาศที่มีต้นทุนต่ำโดยไม่ต้องใช้พลังงานเพิ่มเติม
บทความนี้แสดงรายการและวิเคราะห์การสูญเสียความร้อนใน ADกลไกของปัญหานี้ ตลอดจนความร้อนและการเย็นตัวของมอเตอร์เหนี่ยวนำ ได้อธิบายไว้ในส่วนการสูญเสียความร้อนในมอเตอร์เหนี่ยวนำผ่านกลยุทธ์การระบายความร้อนการสูญเสียความร้อนที่แกนของมอเตอร์เหนี่ยวนำจะถูกแปลงเป็นความร้อนดังนั้นบทความนี้จะกล่าวถึงกลไกการถ่ายเทความร้อนภายในเครื่องยนต์โดยการนำความร้อนและการพาความร้อนแบบบังคับมีการรายงานการสร้างแบบจำลองทางความร้อนของ IM โดยใช้สมการความต่อเนื่อง สมการนาเวียร์-สโตกส์/โมเมนตัม และสมการพลังงานนักวิจัยได้ทำการศึกษาเชิงวิเคราะห์และเชิงตัวเลขเกี่ยวกับความร้อนของ IM เพื่อประเมินอุณหภูมิของขดลวดสเตเตอร์เพื่อจุดประสงค์เดียวในการควบคุมระบบระบายความร้อนของมอเตอร์ไฟฟ้าบทความนี้มุ่งเน้นไปที่การวิเคราะห์เชิงความร้อนของ IM ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและการวิเคราะห์เชิงความร้อนของ IM ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำในตัวโดยใช้การสร้างแบบจำลอง CAD และการจำลองแบบ ANSYS Fluentและข้อดีด้านความร้อนของรูปแบบการปรับปรุงแบบบูรณาการของระบบระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำได้รับการวิเคราะห์อย่างลึกซึ้งตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เอกสารที่แสดงรายการในที่นี้ไม่ใช่บทสรุปของความทันสมัยในด้านปรากฏการณ์ทางความร้อนและการระบายความร้อนของมอเตอร์เหนี่ยวนำ แต่ระบุถึงปัญหามากมายที่ต้องแก้ไขเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ .
การสูญเสียความร้อนมักจะแบ่งออกเป็นการสูญเสียทองแดง การสูญเสียเหล็ก และการสูญเสียแรงเสียดทาน/กลไก
การสูญเสียทองแดงเป็นผลมาจากความร้อนของจูลเนื่องจากความต้านทานของตัวนำและสามารถวัดได้เป็น 10.28:
โดยที่ q̇g คือความร้อนที่เกิดขึ้น I และ Ve คือกระแสและแรงดันที่ระบุตามลำดับ และ Re คือความต้านทานของทองแดง
การสูญเสียธาตุเหล็กหรือที่เรียกว่าการสูญเสียปรสิตเป็นประเภทที่สองของการสูญเสียที่ทำให้เกิดฮิสเทรีซิสและการสูญเสียกระแสไหลวนใน AM ส่วนใหญ่เกิดจากสนามแม่เหล็กที่แปรปรวนตามเวลาพวกมันถูกวัดปริมาณโดยสมการ Steinmetz แบบขยาย ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์สามารถถูกพิจารณาว่าเป็นค่าคงที่หรือค่าแปรผันขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงาน10,28,29
โดยที่ Khn คือปัจจัยการสูญเสียฮิสเทรีซิสที่ได้มาจากแผนภาพการสูญเสียแกน Ken คือปัจจัยการสูญเสียกระแสไหลวน N คือดัชนีฮาร์มอนิก Bn และ f คือความหนาแน่นของฟลักซ์สูงสุดและความถี่ของการกระตุ้นที่ไม่ใช่ไซน์ซอยด์ ตามลำดับสมการข้างต้นสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้ดังต่อไปนี้ 10,29:
ในหมู่พวกเขา K1 และ K2 เป็นปัจจัยการสูญเสียหลักและการสูญเสียกระแสวน (qec) การสูญเสียฮิสเทรีซิส (qh) และการสูญเสียส่วนเกิน (qex) ตามลำดับ
การสูญเสียแรงลมและแรงเสียดทานเป็นสาเหตุหลักสองประการของการสูญเสียทางกลใน IMการสูญเสียลมและแรงเสียดทานคือ 10
ในสูตร n คือความเร็วในการหมุน Kfb คือค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียแรงเสียดทาน D คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของโรเตอร์ l คือความยาวของโรเตอร์ G คือน้ำหนักของโรเตอร์ 10
กลไกหลักสำหรับการถ่ายเทความร้อนภายในเครื่องยนต์คือผ่านการนำความร้อนและความร้อนภายใน ดังที่กำหนดโดยสมการปัวซอง30 ที่ใช้กับตัวอย่างนี้:
ระหว่างการทำงาน หลังจากช่วงเวลาหนึ่งเมื่อมอเตอร์เข้าสู่สภาวะคงที่ ความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถประมาณได้โดยการให้ความร้อนคงที่ของฟลักซ์ความร้อนที่พื้นผิวดังนั้นจึงสามารถสันนิษฐานได้ว่าการนำไฟฟ้าภายในเครื่องยนต์นั้นเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยความร้อนภายใน
การถ่ายเทความร้อนระหว่างครีบกับบรรยากาศโดยรอบถือเป็นการพาความร้อนแบบบังคับ เมื่อของไหลถูกบังคับให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งโดยแรงภายนอกการพาความร้อนสามารถแสดงเป็น 30:
โดยที่ h คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (W/m2 K), A คือพื้นที่ผิว และ ΔT คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนและสารทำความเย็นที่ตั้งฉากกับพื้นผิวตัวเลข Nusselt (Nu) คือการวัดอัตราส่วนของการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนและนำไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับขอบเขต และเลือกตามลักษณะของการไหลแบบราบเรียบและการไหลแบบปั่นป่วนตามวิธีการเชิงประจักษ์ จำนวน Nusselt ของการไหลแบบปั่นป่วนมักจะเกี่ยวข้องกับหมายเลข Reynolds และหมายเลข Prandtl ซึ่งแสดงเป็น 30:
โดยที่ h คือค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน (W/m2 K), l คือความยาวคุณลักษณะเฉพาะ, λ คือค่าการนำความร้อนของของไหล (W/m K) และ Prandtl number (Pr) คือการวัดอัตราส่วนของ ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่โมเมนตัมต่อการแพร่กระจายทางความร้อน (หรือความเร็วและความหนาสัมพัทธ์ของชั้นขอบเขตทางความร้อน) กำหนดเป็น 30:
โดยที่ k และ cp คือค่าการนำความร้อนและความจุความร้อนจำเพาะของของเหลวตามลำดับโดยทั่วไปแล้ว อากาศและน้ำเป็นสารหล่อเย็นทั่วไปสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าคุณสมบัติของเหลวของอากาศและน้ำที่อุณหภูมิห้องแสดงไว้ในตารางที่ 1
การสร้างแบบจำลองความร้อน IM ขึ้นอยู่กับสมมติฐานต่อไปนี้: สถานะคงที่ 3 มิติ, การไหลแบบปั่นป่วน, อากาศเป็นก๊าซในอุดมคติ, การแผ่รังสีเล็กน้อย, ของไหลนิวตัน, ของไหลที่อัดตัวไม่ได้, สภาพไม่ลื่น และคุณสมบัติคงที่ดังนั้น สมการต่อไปนี้จึงถูกนำมาใช้เพื่อปฏิบัติตามกฎการอนุรักษ์มวล โมเมนตัม และพลังงานในบริเวณของเหลว
ในกรณีทั่วไป สมการการอนุรักษ์มวลจะเท่ากับมวลสุทธิที่ไหลเข้าสู่เซลล์ด้วยของเหลว ซึ่งกำหนดโดยสูตร:
ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน อัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของอนุภาคของเหลวเท่ากับผลรวมของแรงที่กระทำต่ออนุภาคนั้น และสมการการอนุรักษ์โมเมนตัมทั่วไปสามารถเขียนในรูปเวกเตอร์ได้ดังนี้
คำว่า ∇p, ∇∙τij และ ρg ในสมการข้างต้นแสดงถึงความดัน ความหนืด และแรงโน้มถ่วงตามลำดับสารทำความเย็น (อากาศ น้ำ น้ำมัน ฯลฯ) ที่ใช้เป็นสารหล่อเย็นในเครื่องจักรโดยทั่วไปถือว่าเป็นสารนิวตันสมการที่แสดงในที่นี้รวมเฉพาะความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างความเค้นเฉือนและการไล่ระดับความเร็ว (อัตราความเครียด) ที่ตั้งฉากกับทิศทางแรงเฉือนเมื่อพิจารณาความหนืดคงที่และการไหลที่สม่ำเสมอ สมการ (12) สามารถเปลี่ยนเป็น 31:
ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ อัตราการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอนุภาคของเหลวจะเท่ากับผลรวมของความร้อนสุทธิที่เกิดจากอนุภาคของเหลวและพลังงานสุทธิที่ผลิตโดยอนุภาคของเหลวสำหรับการไหลหนืดแบบบีบอัดแบบนิวตัน สมการการอนุรักษ์พลังงานสามารถแสดงเป็น31:
โดยที่ Cp คือความจุความร้อนที่ความดันคงที่ และคำว่า ∇ ∙ (k∇T) เกี่ยวข้องกับค่าการนำความร้อนผ่านขอบเขตของเซลล์ของเหลว โดยที่ k หมายถึงค่าการนำความร้อนการแปลงพลังงานกลเป็นความร้อนพิจารณาในรูปของ \(\varnothing\) (กล่าวคือ ฟังก์ชันกระจายความหนืด) และกำหนดเป็น:
โดยที่ \(\rho\) คือความหนาแน่นของของเหลว \(\mu\) คือความหนืดของของเหลว u, v และ w คือศักยภาพของทิศทาง x, y, z ของความเร็วของเหลว ตามลำดับคำนี้อธิบายถึงการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานความร้อนและสามารถมองข้ามได้เนื่องจากมีความสำคัญก็ต่อเมื่อของไหลมีความหนืดสูงมากและการไล่ระดับความเร็วของของไหลนั้นสูงมากในกรณีของการไหลคงที่ ความร้อนจำเพาะคงที่และการนำความร้อน สมการพลังงานจะถูกแก้ไขดังนี้:
สมการพื้นฐานเหล่านี้ได้รับการแก้ไขสำหรับการไหลแบบราบเรียบในระบบพิกัดคาร์ทีเซียนอย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับปัญหาทางเทคนิคอื่น ๆ การทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกระแสน้ำเชี่ยวดังนั้น สมการเหล่านี้จึงได้รับการแก้ไขเพื่อสร้างวิธีการหาค่าเฉลี่ยของ Reynolds Navier-Stokes (RANS) สำหรับการสร้างแบบจำลองความปั่นป่วน
ในงานนี้ ได้เลือกโปรแกรม ANSYS FLUENT 2021 สำหรับการสร้างแบบจำลอง CFD ที่มีเงื่อนไขขอบเขตที่สอดคล้องกัน เช่น แบบจำลองที่พิจารณา: เครื่องยนต์แบบอะซิงโครนัสที่มีการระบายความร้อนด้วยอากาศที่มีความจุ 100 กิโลวัตต์ เส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ 80.80 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง ของสเตเตอร์ 83.56 มม. (ภายใน) และ 190 มม. (ภายนอก) ช่องว่างอากาศ 1.38 มม. ความยาวรวม 234 มม. จำนวน ความหนาของสัน 3 มม..
โมเดลเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศของ SolidWorks จะถูกนำเข้าสู่ ANSYS Fluent และจำลองนอกจากนี้ ผลลัพธ์ที่ได้รับจะถูกตรวจสอบเพื่อให้แน่ใจว่าการจำลองที่ดำเนินการนั้นถูกต้องนอกจากนี้ IM ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำในตัวยังสร้างแบบจำลองโดยใช้ซอฟต์แวร์ SolidWorks 2017 และจำลองโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS Fluent 2021 (รูปที่ 4)
การออกแบบและขนาดของโมเดลนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากซีรีส์อะลูมิเนียม Siemens 1LA9 และจำลองใน SolidWorks 2017 โมเดลได้รับการดัดแปลงเล็กน้อยเพื่อให้เหมาะกับความต้องการของซอฟต์แวร์จำลองแก้ไขโมเดล CAD โดยลบชิ้นส่วนที่ไม่ต้องการ ลบฟิเลต ลบมุม และอื่นๆ เมื่อสร้างโมเดลด้วย ANSYS Workbench 2021
นวัตกรรมการออกแบบคือเสื้อกันน้ำซึ่งกำหนดความยาวจากผลการจำลองของโมเดลแรกมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในการจำลองแจ็คเก็ตน้ำเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเมื่อใช้เอวใน ANSYSส่วนต่างๆ ของ IM แสดงอยู่ในรูป5a–f
(ก).แกนโรเตอร์และเพลา IM(b) แกนสเตเตอร์ IM(c) IM สเตเตอร์ที่คดเคี้ยว(d) กรอบภายนอกของ MI(จ) แจ็คเก็ตน้ำ IMf) การผสมผสานระหว่างรุ่น IM ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำ
พัดลมที่ติดตั้งบนเพลาให้การไหลของอากาศคงที่ 10 ม./วินาที และอุณหภูมิ 30 °C บนพื้นผิวของครีบค่าของอัตราจะถูกเลือกแบบสุ่มขึ้นอยู่กับความสามารถของความดันโลหิตที่วิเคราะห์ในบทความนี้ ซึ่งมากกว่าค่าที่ระบุในเอกสารโซนร้อนรวมถึงโรเตอร์ สเตเตอร์ ขดลวดสเตเตอร์ และกรงโรเตอร์วัสดุของสเตเตอร์และโรเตอร์เป็นเหล็ก ขดลวดและแกนกรงเป็นทองแดง โครงและโครงเป็นอะลูมิเนียมความร้อนที่เกิดขึ้นในพื้นที่เหล่านี้เกิดจากปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ความร้อนของจูลเมื่อกระแสภายนอกถูกส่งผ่านขดลวดทองแดง เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กอัตราการปลดปล่อยความร้อนของส่วนประกอบต่างๆ นำมาจากเอกสารต่างๆ ที่มีอยู่สำหรับ IM 100 กิโลวัตต์
IM แบบระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำแบบบูรณาการ นอกเหนือจากเงื่อนไขข้างต้น ยังรวมถึงแจ็คเก็ตน้ำ ซึ่งความสามารถในการถ่ายเทความร้อนและความต้องการพลังงานของปั๊มได้รับการวิเคราะห์สำหรับอัตราการไหลของน้ำต่างๆ (5 ลิตร/นาที, 10 ลิตร/นาที และ 15 ลิตร/นาที)วาล์วนี้ได้รับเลือกให้เป็นวาล์วขั้นต่ำ เนื่องจากผลลัพธ์ไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญสำหรับการไหลที่ต่ำกว่า 5 ลิตร/นาทีนอกจากนี้ อัตราการไหล 15 ลิตร/นาทีถูกเลือกเป็นค่าสูงสุด เนื่องจากกำลังสูบน้ำเพิ่มขึ้นอย่างมากแม้ว่าอุณหภูมิจะลดลงอย่างต่อเนื่องก็ตาม
โมเดล IM ต่างๆ ถูกนำเข้าไปยัง ANSYS Fluent และแก้ไขเพิ่มเติมโดยใช้ ANSYS Design Modelerนอกจากนี้ ยังมีการสร้างท่อทรงกล่องขนาด 0.3 × 0.3 × 0.5 ม. รอบ AD เพื่อวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอากาศรอบเครื่องยนต์และศึกษาการระบายความร้อนออกสู่ชั้นบรรยากาศทำการวิเคราะห์ที่คล้ายกันสำหรับ IM ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำในตัว
โมเดล IM ถูกสร้างโมเดลโดยใช้วิธีการเชิงตัวเลขของ CFD และ FEMเมชถูกสร้างขึ้นใน CFD เพื่อแบ่งโดเมนออกเป็นส่วนประกอบจำนวนหนึ่งเพื่อค้นหาวิธีแก้ปัญหาตาข่ายทรงเตตระฮีดรัลที่มีขนาดองค์ประกอบเหมาะสมใช้สำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนทั่วไปของส่วนประกอบเครื่องยนต์อินเทอร์เฟซทั้งหมดถูกเติมด้วย 10 ชั้นเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การถ่ายเทความร้อนที่พื้นผิวที่แม่นยำเรขาคณิตกริดของโมเดล MI สองโมเดลแสดงในรูปที่ .6a, b.
สมการพลังงานช่วยให้คุณศึกษาการถ่ายเทความร้อนในบริเวณต่างๆ ของเครื่องยนต์แบบจำลองความปั่นป่วน K-epsilon ที่มีฟังก์ชันผนังมาตรฐานได้รับเลือกให้เป็นแบบจำลองความปั่นป่วนรอบพื้นผิวด้านนอกแบบจำลองคำนึงถึงพลังงานจลน์ (Ek) และการกระจายตัวแบบปั่นป่วน (epsilon)ทองแดง อะลูมิเนียม เหล็ก อากาศ และน้ำ ถูกคัดเลือกตามคุณสมบัติมาตรฐานสำหรับใช้ในงานนั้นๆอัตราการกระจายความร้อน (ดูตารางที่ 2) ถูกกำหนดเป็นอินพุต และเงื่อนไขโซนแบตเตอรี่ต่างๆ ถูกกำหนดเป็น 15, 17, 28, 32 ความเร็วลมเหนือกล่องมอเตอร์ถูกตั้งค่าเป็น 10 ม./วินาที สำหรับมอเตอร์ทั้งสองรุ่น และใน นอกจากนี้ ยังมีการพิจารณาอัตราน้ำที่แตกต่างกันสามแบบสำหรับเสื้อสูบน้ำ (5 ลิตร/นาที, 10 ลิตร/นาที และ 15 ลิตร/นาที)เพื่อความแม่นยำยิ่งขึ้น ส่วนที่เหลือสำหรับสมการทั้งหมดถูกกำหนดเท่ากับ 1 × 10–6เลือกอัลกอริทึม SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Equations) เพื่อแก้สมการ Navier Prime (NS)หลังจากการกำหนดค่าเริ่มต้นแบบไฮบริดเสร็จสิ้น การตั้งค่าจะดำเนินการวนซ้ำ 500 ครั้ง ดังแสดงในรูปที่ 7