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Aufgrund der Betriebskosten und der Langlebigkeit des Motors ist eine ordnungsgemäße Strategie für das Motorwärmemanagement äußerst wichtig.In diesem Artikel wurde eine Wärmemanagementstrategie für Induktionsmotoren entwickelt, um eine längere Haltbarkeit und einen höheren Wirkungsgrad zu gewährleisten.Darüber hinaus wurde eine umfassende Literaturrecherche zu Motorkühlungsmethoden durchgeführt.Als Hauptergebnis wird eine thermische Berechnung eines luftgekühlten Hochleistungs-Asynchronmotors unter Berücksichtigung des bekannten Problems der Wärmeverteilung angegeben.Darüber hinaus schlägt diese Studie einen integrierten Ansatz mit zwei oder mehr Kühlstrategien vor, um den aktuellen Bedarf zu decken.Es wurde eine numerische Studie eines Modells eines luftgekühlten 100-kW-Asynchronmotors und eines verbesserten Wärmemanagementmodells desselben Motors durchgeführt, bei dem durch eine Kombination aus Luftkühlung und einem integrierten Wasserkühlsystem eine deutliche Steigerung der Motoreffizienz erreicht wird ausgetragen.Ein integriertes luftgekühltes und wassergekühltes System wurde mit den Versionen SolidWorks 2017 und ANSYS Fluent 2021 untersucht.Drei verschiedene Wasserdurchflüsse (5 l/min, 10 l/min und 15 l/min) wurden im Vergleich zu herkömmlichen luftgekühlten Induktionsmotoren analysiert und anhand verfügbarer veröffentlichter Ressourcen verifiziert.Die Analyse zeigt, dass wir für unterschiedliche Durchflussraten (5 l/min, 10 l/min bzw. 15 l/min) entsprechende Temperatursenkungen von 2,94 %, 4,79 % und 7,69 % erzielten.Daher zeigen die Ergebnisse, dass der eingebettete Induktionsmotor die Temperatur im Vergleich zum luftgekühlten Induktionsmotor effektiv senken kann.
Der Elektromotor ist eine der Schlüsselerfindungen der modernen Ingenieurwissenschaft.Elektromotoren werden in allen Bereichen eingesetzt, von Haushaltsgeräten bis hin zu Fahrzeugen, einschließlich der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie.In den letzten Jahren hat die Beliebtheit von Induktionsmotoren (AM) aufgrund ihres hohen Anlaufdrehmoments, ihrer guten Drehzahlregelung und ihrer moderaten Überlastfähigkeit zugenommen (Abb. 1).Induktionsmotoren bringen nicht nur Ihre Glühbirnen zum Leuchten, sie versorgen auch die meisten Geräte in Ihrem Zuhause, von Ihrer Zahnbürste bis zu Ihrem Tesla.Mechanische Energie im IM entsteht durch den Kontakt des Magnetfelds der Stator- und Rotorwicklungen.Darüber hinaus ist IM aufgrund des begrenzten Angebots an Seltenerdmetallen eine praktikable Option.Der Hauptnachteil von ADs besteht jedoch darin, dass ihre Lebensdauer und Effizienz sehr temperaturabhängig sind.Induktionsmotoren verbrauchen etwa 40 % des weltweiten Stroms, was uns zu der Annahme veranlassen sollte, dass die Steuerung des Stromverbrauchs dieser Maschinen von entscheidender Bedeutung ist.
Die Arrhenius-Gleichung besagt, dass sich die Lebensdauer des gesamten Motors mit jedem Anstieg der Betriebstemperatur um 10 °C halbiert.Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten und die Produktivität des Geräts zu steigern, muss daher auf die thermische Kontrolle des Blutdrucks geachtet werden.In der Vergangenheit wurde die thermische Analyse vernachlässigt und Motorkonstrukteure haben das Problem nur an der Peripherie berücksichtigt, basierend auf Konstruktionserfahrungen oder anderen Dimensionsvariablen wie der Wicklungsstromdichte usw. Diese Ansätze führen zur Anwendung großer Sicherheitsmargen für die schlechtesten Bedingungen. Die Gehäuseerwärmungsbedingungen werden verändert, was zu einer Vergrößerung der Maschinengröße und damit zu einem Anstieg der Kosten führt.
Es gibt zwei Arten der thermischen Analyse: die Analyse konzentrierter Schaltkreise und numerische Methoden.Der Hauptvorteil analytischer Methoden ist die Möglichkeit, Berechnungen schnell und genau durchzuführen.Es müssen jedoch erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um Schaltkreise mit ausreichender Genauigkeit zu definieren, um thermische Pfade zu simulieren.Andererseits werden numerische Methoden grob in Computational Fluid Dynamics (CFD) und Structural Thermal Analysis (STA) unterteilt, die beide die Finite-Elemente-Analyse (FEA) nutzen.Der Vorteil der numerischen Analyse besteht darin, dass Sie damit die Geometrie des Geräts modellieren können.Allerdings können die Systemeinrichtung und Berechnungen manchmal schwierig sein.Die im Folgenden besprochenen wissenschaftlichen Artikel sind ausgewählte Beispiele der thermischen und elektromagnetischen Analyse verschiedener moderner Induktionsmotoren.Diese Artikel veranlassten die Autoren, thermische Phänomene in Asynchronmotoren und Methoden zu ihrer Kühlung zu untersuchen.
Pil-Wan Han1 beschäftigte sich mit der thermischen und elektromagnetischen Analyse von MI.Für die thermische Analyse wird die Methode der konzentrierten Schaltkreisanalyse und für die elektromagnetische Analyse die Methode der zeitlich veränderlichen magnetischen Finite-Elemente-Methode verwendet.Um in jeder industriellen Anwendung einen ordnungsgemäßen thermischen Überlastschutz bereitzustellen, muss die Temperatur der Statorwicklung zuverlässig geschätzt werden.Ahmed et al.2 schlugen ein Wärmenetzwerkmodell höherer Ordnung vor, das auf tiefenthermischen und thermodynamischen Überlegungen basiert.Die Entwicklung thermischer Modellierungsmethoden für industrielle Wärmeschutzzwecke profitiert von analytischen Lösungen und der Berücksichtigung thermischer Parameter.
Nair et al.3 verwendeten eine kombinierte Analyse eines 39-kW-IM und eine numerische 3D-Thermoanalyse, um die Wärmeverteilung in einer elektrischen Maschine vorherzusagen.Ying et al.4 analysierten lüftergekühlte, vollständig geschlossene (TEFC) IMs mit 3D-Temperaturschätzung.Moon et al.5 untersuchte die Wärmeflusseigenschaften von IM TEFC mittels CFD.Das LPTN-Motorübergangsmodell wurde von Todd et al.6 bereitgestellt.Experimentelle Temperaturdaten werden zusammen mit berechneten Temperaturen verwendet, die aus dem vorgeschlagenen LPTN-Modell abgeleitet wurden.Peter et al.7 verwendeten CFD, um den Luftstrom zu untersuchen, der das thermische Verhalten von Elektromotoren beeinflusst.
Cabral et al.8 schlugen ein einfaches thermisches IM-Modell vor, bei dem die Maschinentemperatur durch Anwendung der Zylinderwärmediffusionsgleichung ermittelt wurde.Nategh et al.9 untersuchten mithilfe von CFD ein selbstbelüftetes Traktionsmotorsystem, um die Genauigkeit optimierter Komponenten zu testen.Somit können numerische und experimentelle Untersuchungen genutzt werden, um die thermische Analyse von Induktionsmotoren zu simulieren, siehe Abb.2.
Yinye et al.10 schlugen einen Entwurf zur Verbesserung des Wärmemanagements vor, indem die gemeinsamen thermischen Eigenschaften von Standardmaterialien und häufige Ursachen für den Verlust von Maschinenteilen genutzt werden.Marco et al.11 präsentierten Kriterien für die Gestaltung von Kühlsystemen und Wassermänteln für Maschinenkomponenten mithilfe von CFD- und LPTN-Modellen.Yaohui et al.12 bieten verschiedene Richtlinien für die Auswahl einer geeigneten Kühlmethode und die Leistungsbewertung zu Beginn des Designprozesses.Nell et al.13 schlugen vor, Modelle für die gekoppelte elektromagnetisch-thermische Simulation für einen bestimmten Wertebereich, Detaillierungsgrad und Rechenleistung für ein multiphysikalisches Problem zu verwenden.Jean et al.14 und Kim et al.15 untersuchten die Temperaturverteilung eines luftgekühlten Induktionsmotors mithilfe eines 3D-gekoppelten FEM-Feldes.Berechnen Sie Eingabedaten mithilfe der 3D-Wirbelstromfeldanalyse, um Joule-Verluste zu ermitteln und diese für die thermische Analyse zu verwenden.
Michel et al.16 verglichen herkömmliche Radialventilatoren mit Axialventilatoren unterschiedlicher Bauart durch Simulationen und Experimente.Eine dieser Konstruktionen erzielte kleine, aber deutliche Verbesserungen der Motoreffizienz bei gleichbleibender Betriebstemperatur.
Lu et al.17 verwendeten die Methode des äquivalenten Magnetkreises in Kombination mit dem Boglietti-Modell, um die Eisenverluste an der Welle eines Induktionsmotors abzuschätzen.Die Autoren gehen davon aus, dass die Verteilung der magnetischen Flussdichte in jedem Querschnitt innerhalb des Spindelmotors gleichmäßig ist.Sie verglichen ihre Methode mit den Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse und experimentellen Modellen.Diese Methode kann zur Expressanalyse von MI verwendet werden, ihre Genauigkeit ist jedoch begrenzt.
18 stellt verschiedene Methoden zur Analyse des elektromagnetischen Feldes von linearen Induktionsmotoren vor.Darunter werden Methoden zur Abschätzung von Leistungsverlusten in reaktiven Schienen und Methoden zur Vorhersage des Temperaturanstiegs von Traktions-Linear-Induktionsmotoren beschrieben.Mit diesen Methoden kann die Energieumwandlungseffizienz linearer Induktionsmotoren verbessert werden.
Zabdur et al.19 untersuchten die Leistung von Kühlmänteln mithilfe einer dreidimensionalen numerischen Methode.Der Kühlmantel nutzt Wasser als Hauptkühlmittelquelle für den dreiphasigen IM, was für die zum Pumpen erforderliche Leistung und maximale Temperaturen wichtig ist.Rippel et al.20 haben einen neuen Ansatz für Flüssigkeitskühlsysteme namens „Querlaminatkühlung“ patentiert, bei dem das Kältemittel quer durch schmale Bereiche fließt, die durch Löcher in den magnetischen Lamellen der anderen gebildet werden.Deriszade et al.21 untersuchten experimentell die Kühlung von Fahrmotoren in der Automobilindustrie mit einem Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser.Bewerten Sie die Leistung verschiedener Mischungen mit CFD und 3D-Analyse turbulenter Flüssigkeiten.Eine Simulationsstudie von Boopathi et al.22 zeigte, dass der Temperaturbereich für wassergekühlte Motoren (17–124 °C) deutlich kleiner ist als für luftgekühlte Motoren (104–250 °C).Die maximale Temperatur des wassergekühlten Aluminiummotors wird um 50,4 % und die maximale Temperatur des wassergekühlten PA6GF30-Motors um 48,4 % reduziert.Bezukov et al.23 untersuchten die Auswirkung der Kesselsteinbildung auf die Wärmeleitfähigkeit der Motorwand mit einem Flüssigkeitskühlsystem.Studien haben gezeigt, dass ein 1,5 mm dicker Oxidfilm die Wärmeübertragung um 30 % reduziert, den Kraftstoffverbrauch erhöht und die Motorleistung verringert.
Tanguy et al.24 führten Experimente mit verschiedenen Durchflussraten, Öltemperaturen, Drehzahlen und Einspritzmodi für Elektromotoren durch, bei denen Schmieröl als Kühlmittel verwendet wurde.Es wurde ein enger Zusammenhang zwischen der Durchflussrate und der gesamten Kühleffizienz festgestellt.Ha et al.25 schlugen vor, Tropfdüsen als Düsen zu verwenden, um den Ölfilm gleichmäßig zu verteilen und die Effizienz der Motorkühlung zu maximieren.
Nandi et al.26 analysierten die Wirkung von L-förmigen flachen Wärmerohren auf die Motorleistung und das Wärmemanagement.Der Wärmerohr-Verdampferteil ist im Motorgehäuse installiert oder in der Motorwelle vergraben, und der Kondensatorteil ist installiert und wird durch zirkulierende Flüssigkeit oder Luft gekühlt.Bellettre et al.27 untersuchten ein PCM-Feststoff-Flüssigkeits-Kühlsystem für einen transienten Motorstator.Das PCM imprägniert die Wickelköpfe und senkt die Hot-Spot-Temperatur durch die Speicherung latenter Wärmeenergie.
So werden Motorleistung und Temperatur mit unterschiedlichen Kühlstrategien bewertet, siehe Abb.3. Diese Kühlkreisläufe dienen der Temperierung von Wicklungen, Platten, Wickelköpfen, Magneten, Gehäusen und Endplatten.
Flüssigkeitskühlsysteme sind für ihre effiziente Wärmeübertragung bekannt.Das Umpumpen von Kühlmittel durch den Motor verbraucht jedoch viel Energie, was die effektive Leistungsabgabe des Motors verringert.Luftkühlungssysteme hingegen sind aufgrund ihrer geringen Kosten und der einfachen Aufrüstbarkeit eine weit verbreitete Methode.Allerdings ist es immer noch weniger effizient als Flüssigkeitskühlsysteme.Es ist ein integrierter Ansatz erforderlich, der die hohe Wärmeübertragungsleistung eines flüssigkeitsgekühlten Systems mit den niedrigen Kosten eines luftgekühlten Systems kombinieren kann, ohne zusätzliche Energie zu verbrauchen.
Dieser Artikel listet und analysiert Wärmeverluste in AD.Der Mechanismus dieses Problems sowie die Erwärmung und Kühlung von Induktionsmotoren werden im Abschnitt „Wärmeverlust bei Induktionsmotoren“ unter „Kühlstrategien“ erläutert.Die Verlustwärme des Kerns eines Induktionsmotors wird in Wärme umgewandelt.Daher wird in diesem Artikel der Mechanismus der Wärmeübertragung innerhalb des Motors durch Leitung und erzwungene Konvektion erörtert.Es wird über die thermische Modellierung von IM unter Verwendung von Kontinuitätsgleichungen, Navier-Stokes-/Impulsgleichungen und Energiegleichungen berichtet.Die Forscher führten analytische und numerische thermische Untersuchungen von IM durch, um die Temperatur der Statorwicklungen abzuschätzen, und zwar ausschließlich zum Zweck der Steuerung des thermischen Regimes des Elektromotors.Dieser Artikel konzentriert sich auf die thermische Analyse luftgekühlter IMs und die thermische Analyse integrierter luftgekühlter und wassergekühlter IMs mithilfe von CAD-Modellierung und ANSYS Fluent-Simulation.Und die thermischen Vorteile des integrierten verbesserten Modells luftgekühlter und wassergekühlter Systeme werden eingehend analysiert.Wie oben erwähnt, stellen die hier aufgeführten Dokumente keine Zusammenfassung des Stands der Technik auf dem Gebiet der thermischen Phänomene und der Kühlung von Induktionsmotoren dar, sie weisen jedoch auf viele Probleme hin, die gelöst werden müssen, um den zuverlässigen Betrieb von Induktionsmotoren sicherzustellen .
Der Wärmeverlust wird üblicherweise in Kupferverlust, Eisenverlust und Reibungs-/mechanischer Verlust unterteilt.
Kupferverluste sind das Ergebnis der Jouleschen Erwärmung aufgrund des spezifischen Widerstands des Leiters und können mit 10,28 quantifiziert werden:
Dabei ist q̇g die erzeugte Wärme, I und Ve der Nennstrom bzw. die Nennspannung und Re der Kupferwiderstand.
Eisenverluste, auch parasitäre Verluste genannt, sind die zweite Hauptverlustart, die bei AM zu Hysterese- und Wirbelstromverlusten führt, die hauptsächlich durch das zeitlich veränderliche Magnetfeld verursacht werden.Sie werden durch die erweiterte Steinmetz-Gleichung quantifiziert, deren Koeffizienten je nach Betriebsbedingungen als konstant oder variabel angesehen werden können10,28,29.
Dabei ist Khn der aus dem Kernverlustdiagramm abgeleitete Hysterese-Verlustfaktor, Ken der Wirbelstrom-Verlustfaktor, N der harmonische Index, Bn und f die Spitzenflussdichte bzw. -frequenz der nicht-sinusförmigen Erregung.Die obige Gleichung kann wie folgt weiter vereinfacht werden10,29:
Darunter sind K1 und K2 der Kernverlustfaktor und der Wirbelstromverlust (qec), der Hystereseverlust (qh) bzw. der Überschussverlust (qex).
Windlast und Reibungsverluste sind die beiden Hauptursachen für mechanische Verluste im IM.Wind- und Reibungsverluste betragen 10,
In der Formel ist n die Drehzahl, Kfb der Reibungsverlustkoeffizient, D der Außendurchmesser des Rotors, l die Länge des Rotors, G das Gewicht des Rotors 10.
Der primäre Mechanismus der Wärmeübertragung innerhalb des Motors erfolgt über Leitung und innere Erwärmung, wie durch die Poisson-Gleichung30 bestimmt, die auf dieses Beispiel angewendet wird:
Während des Betriebs kann die erzeugte Wärme ab einem bestimmten Zeitpunkt, wenn der Motor einen stabilen Zustand erreicht, durch eine konstante Erwärmung des Oberflächenwärmeflusses angenähert werden.Daher kann davon ausgegangen werden, dass die Leitung im Inneren des Motors unter Freisetzung innerer Wärme erfolgt.
Die Wärmeübertragung zwischen den Rippen und der umgebenden Atmosphäre wird als erzwungene Konvektion bezeichnet, wenn die Flüssigkeit durch eine äußere Kraft gezwungen wird, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen.Konvektion kann als 30 ausgedrückt werden:
Dabei ist h der Wärmeübertragungskoeffizient (W/m2 K), A die Oberfläche und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche und dem Kältemittel senkrecht zur Oberfläche.Die Nusselt-Zahl (Nu) ist ein Maß für das Verhältnis von konvektiver und konduktiver Wärmeübertragung senkrecht zur Grenze und wird basierend auf den Eigenschaften laminarer und turbulenter Strömung ausgewählt.Nach der empirischen Methode ist die Nusselt-Zahl turbulenter Strömungen normalerweise mit der Reynolds-Zahl und der Prandtl-Zahl verbunden, ausgedrückt als 30:
Dabei ist h der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient (W/m2 K), l die charakteristische Länge, λ die Wärmeleitfähigkeit des Fluids (W/m K) und die Prandtl-Zahl (Pr) ein Maß für das Verhältnis von der Impulsdiffusionskoeffizient zur thermischen Diffusionsfähigkeit (oder Geschwindigkeit und relativen Dicke der thermischen Grenzschicht), definiert als 30:
Dabei sind k und cp die Wärmeleitfähigkeit bzw. die spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeit.Generell sind Luft und Wasser die gebräuchlichsten Kühlmittel für Elektromotoren.Die Flüssigkeitseigenschaften von Luft und Wasser bei Umgebungstemperatur sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Die thermische IM-Modellierung basiert auf den folgenden Annahmen: stationärer 3D-Zustand, turbulente Strömung, Luft ist ein ideales Gas, vernachlässigbare Strahlung, Newtonsche Flüssigkeit, inkompressible Flüssigkeit, rutschfester Zustand und konstante Eigenschaften.Daher werden die folgenden Gleichungen verwendet, um die Gesetze zur Erhaltung von Masse, Impuls und Energie im Flüssigkeitsbereich zu erfüllen.
Im allgemeinen Fall ist die Massenerhaltungsgleichung gleich dem Nettomassenfluss in die Zelle mit Flüssigkeit, bestimmt durch die Formel:
Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz ist die Änderungsrate des Impulses eines Flüssigkeitsteilchens gleich der Summe der auf es einwirkenden Kräfte, und die allgemeine Impulserhaltungsgleichung kann in Vektorform wie folgt geschrieben werden:
Die Terme ∇p, ∇∙τij und ρg in der obigen Gleichung repräsentieren Druck, Viskosität bzw. Schwerkraft.Kühlmedien (Luft, Wasser, Öl usw.), die in Maschinen als Kühlmittel verwendet werden, gelten im Allgemeinen als Newtonsche Medien.Die hier dargestellten Gleichungen beinhalten lediglich einen linearen Zusammenhang zwischen Schubspannung und einem Geschwindigkeitsgradienten (Dehnungsrate) senkrecht zur Scherrichtung.Unter Berücksichtigung konstanter Viskosität und stetiger Strömung kann Gleichung (12) in 31 geändert werden:
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist die Änderungsrate der Energie eines Flüssigkeitsteilchens gleich der Summe der vom Flüssigkeitsteilchen erzeugten Nettowärme und der vom Flüssigkeitsteilchen erzeugten Nettoleistung.Für eine Newtonsche kompressible viskose Strömung kann die Energieerhaltungsgleichung wie folgt ausgedrückt werden31:
Dabei ist Cp die Wärmekapazität bei konstantem Druck und der Term ∇ ∙ (k∇T) bezieht sich auf die Wärmeleitfähigkeit durch die Flüssigkeitszellgrenze, wobei k die Wärmeleitfähigkeit bezeichnet.Die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme wird im Hinblick auf \(\varnothing\) (d. h. die viskose Dissipationsfunktion) betrachtet und ist definiert als:
Dabei ist \(\rho\) die Dichte der Flüssigkeit, \(\mu\) die Viskosität der Flüssigkeit, u, v und w das Potential der Richtung x, y, z der Flüssigkeitsgeschwindigkeit.Dieser Begriff beschreibt die Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie und kann ignoriert werden, da er nur dann von Bedeutung ist, wenn die Viskosität der Flüssigkeit sehr hoch und der Geschwindigkeitsgradient der Flüssigkeit sehr groß ist.Bei stationärer Strömung, konstanter spezifischer Wärme und Wärmeleitfähigkeit ändert sich die Energiegleichung wie folgt:
Diese Grundgleichungen werden für laminare Strömung im kartesischen Koordinatensystem gelöst.Allerdings ist der Betrieb elektrischer Maschinen, wie viele andere technische Probleme auch, in erster Linie mit turbulenten Strömungen verbunden.Daher werden diese Gleichungen modifiziert, um die Reynolds Navier-Stokes (RANS)-Mittelungsmethode für die Turbulenzmodellierung zu bilden.
In dieser Arbeit wurde das Programm ANSYS FLUENT 2021 zur CFD-Modellierung mit den entsprechenden Randbedingungen ausgewählt, wie zum Beispiel das betrachtete Modell: ein Asynchronmotor mit Luftkühlung mit einer Leistung von 100 kW, der Durchmesser des Rotors 80,80 mm, der Durchmesser des Stators 83,56 mm (innen) und 190 mm (außen), ein Luftspalt von 1,38 mm, die Gesamtlänge 234 mm, die Höhe, die Dicke der Rippen 3 mm..
Das Modell des luftgekühlten SolidWorks-Motors wird dann in ANSYS Fluent importiert und simuliert.Darüber hinaus werden die erzielten Ergebnisse überprüft, um die Genauigkeit der durchgeführten Simulation sicherzustellen.Darüber hinaus wurde ein integrierter luft- und wassergekühlter IM mit der Software SolidWorks 2017 modelliert und mit der Software ANSYS Fluent 2021 simuliert (Abbildung 4).
Das Design und die Abmessungen dieses Modells sind von der Aluminiumserie 1LA9 von Siemens inspiriert und in SolidWorks 2017 modelliert. Das Modell wurde leicht modifiziert, um den Anforderungen der Simulationssoftware gerecht zu werden.Ändern Sie CAD-Modelle, indem Sie unerwünschte Teile, Verrundungen, Fasen und mehr entfernen, wenn Sie mit ANSYS Workbench 2021 modellieren.
Eine Designinnovation ist der Wassermantel, dessen Länge aus den Simulationsergebnissen des ersten Modells ermittelt wurde.An der Wassermantelsimulation wurden einige Änderungen vorgenommen, um die besten Ergebnisse bei der Verwendung der Taille in ANSYS zu erzielen.Verschiedene Teile des IM sind in Abb. dargestellt.5a–f.
(A).Rotorkern und IM-Welle.(b) IM-Statorkern.(c) IM-Statorwicklung.(d) Außenrahmen des MI.(e) IM-Wassermantel.f) Kombination aus luft- und wassergekühlten IM-Modellen.
Der auf der Welle montierte Ventilator sorgt für einen konstanten Luftstrom von 10 m/s und eine Temperatur von 30 °C an der Oberfläche der Lamellen.Der Wert der Rate wird zufällig ausgewählt, abhängig von der Kapazität des in diesem Artikel analysierten Blutdrucks, der höher ist als der in der Literatur angegebene Wert.Die heiße Zone umfasst Rotor, Stator, Statorwicklungen und Rotorkäfigstäbe.Die Materialien des Stators und Rotors sind Stahl, die Wicklungen und Käfigstäbe sind Kupfer, der Rahmen und die Rippen sind Aluminium.Die in diesen Bereichen erzeugte Wärme ist auf elektromagnetische Phänomene zurückzuführen, beispielsweise auf Joulesche Erwärmung, wenn ein externer Strom durch eine Kupferspule geleitet wird, sowie auf Änderungen im Magnetfeld.Die Wärmefreisetzungsraten der verschiedenen Komponenten wurden verschiedenen für einen 100-kW-IM verfügbaren Fachliteratur entnommen.
Integrierte luft- und wassergekühlte IMs umfassten zusätzlich zu den oben genannten Bedingungen auch einen Wassermantel, in dem die Wärmeübertragungsfähigkeiten und Pumpenleistungsanforderungen für verschiedene Wasserdurchflussraten (5 l/min, 10 l/min) analysiert wurden und 15 l/min).Dieses Ventil wurde als Minimalventil gewählt, da sich die Ergebnisse bei Flüssen unter 5 l/min nicht wesentlich änderten.Darüber hinaus wurde als Maximalwert eine Durchflussrate von 15 L/min gewählt, da die Pumpleistung trotz weiter sinkender Temperatur deutlich anstieg.
Verschiedene IM-Modelle wurden in ANSYS Fluent importiert und mit ANSYS Design Modeler weiter bearbeitet.Darüber hinaus wurde um den AD herum ein kastenförmiges Gehäuse mit Abmessungen von 0,3 × 0,3 × 0,5 m gebaut, um die Luftbewegung um den Motor herum zu analysieren und die Wärmeabfuhr in die Atmosphäre zu untersuchen.Ähnliche Analysen wurden für integrierte luft- und wassergekühlte IMs durchgeführt.
Das IM-Modell wird mit numerischen CFD- und FEM-Methoden modelliert.In CFD werden Netze erstellt, um eine Domäne in eine bestimmte Anzahl von Komponenten zu unterteilen und so eine Lösung zu finden.Tetraedernetze mit geeigneten Elementgrößen werden für die allgemeine komplexe Geometrie von Motorkomponenten verwendet.Alle Schnittstellen wurden mit 10 Schichten gefüllt, um genaue Ergebnisse der Oberflächenwärmeübertragung zu erhalten.Die Gittergeometrie zweier MI-Modelle ist in Abb. dargestellt.6a, b.
Mit der Energiegleichung können Sie die Wärmeübertragung in verschiedenen Bereichen des Motors untersuchen.Zur Modellierung der Turbulenzen um die Außenfläche wurde das K-epsilon-Turbulenzmodell mit Standardwandfunktionen gewählt.Das Modell berücksichtigt kinetische Energie (Ek) und turbulente Dissipation (Epsilon).Kupfer, Aluminium, Stahl, Luft und Wasser wurden aufgrund ihrer Standardeigenschaften für den Einsatz in ihren jeweiligen Anwendungen ausgewählt.Die Wärmeableitungsraten (siehe Tabelle 2) werden als Eingaben angegeben und die verschiedenen Batteriezonenbedingungen werden auf 15, 17, 28, 32 eingestellt. Die Luftgeschwindigkeit über dem Motorgehäuse wurde für beide Motormodelle auf 10 m/s eingestellt, und zwar auf 10 m/s Zusätzlich wurden drei unterschiedliche Wassermengen für den Wassermantel berücksichtigt (5 l/min, 10 l/min und 15 l/min).Für eine höhere Genauigkeit wurden die Residuen für alle Gleichungen auf 1 × 10–6 gesetzt.Wählen Sie den SIMPLE-Algorithmus (Semi-Implicit Method for Pressure Equations) aus, um die Navier-Prime-Gleichungen (NS) zu lösen.Nach Abschluss der Hybridinitialisierung führt das Setup 500 Iterationen aus, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. Juli 2023