Ինդուկցիոն շարժիչների ջերմային կառավարման վերլուծություն՝ համատեղելով օդով սառեցվող համակարգը և ինտեգրված ջրային հովացման համակարգը

Շնորհակալություն Nature.com այցելելու համար:Դուք օգտագործում եք զննարկչի տարբերակ՝ CSS-ի սահմանափակ աջակցությամբ:Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում):Միևնույն ժամանակ, շարունակական աջակցություն ապահովելու համար մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Շարժիչի շահագործման ծախսերի և երկարակեցության պատճառով շարժիչի ջերմային կառավարման ճիշտ ռազմավարությունը չափազանց կարևոր է:Այս հոդվածը մշակել է ինդուկցիոն շարժիչների ջերմային կառավարման ռազմավարություն՝ ավելի լավ ամրություն ապահովելու և արդյունավետությունը բարելավելու համար:Բացի այդ, իրականացվել է շարժիչի հովացման մեթոդների վերաբերյալ գրականության ծավալուն վերանայում:Որպես հիմնական արդյունք՝ տրված է բարձր հզորության օդով հովացվող ասինխրոն շարժիչի ջերմային հաշվարկը՝ հաշվի առնելով ջերմության բաշխման հայտնի խնդիրը։Բացի այդ, այս ուսումնասիրությունն առաջարկում է ինտեգրված մոտեցում երկու կամ ավելի հովացման ռազմավարություններով՝ ընթացիկ կարիքները բավարարելու համար:Կատարվել է 100 կՎտ հզորությամբ օդով հովացվող ասինխրոն շարժիչի և նույն շարժիչի ջերմային կառավարման բարելավված մոդելի թվային ուսումնասիրություն, որտեղ շարժիչի արդյունավետության զգալի աճ է ձեռք բերվում օդի հովացման և ջրի հովացման ինտեգրված համակարգի միջոցով։ իրականացվել է.Ուսումնասիրվել է օդով և ջրով սառեցվող ինտեգրված համակարգը՝ օգտագործելով SolidWorks 2017 և ANSYS Fluent 2021 տարբերակները:Երեք տարբեր ջրի հոսքեր (5 լ/րոպե, 10 լ/րոպե և 15 լ/րոպե) վերլուծվել են սովորական օդով հովացվող ինդուկցիոն շարժիչների նկատմամբ և ստուգվել՝ օգտագործելով հասանելի հրապարակված ռեսուրսները:Վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ տարբեր հոսքի արագության համար (համապատասխանաբար 5 լ/րոպե, 10 լ/րոպե և 15 լ/րոպե) մենք ստացել ենք համապատասխան ջերմաստիճանի նվազում 2,94%, 4,79% և 7,69%:Հետևաբար, արդյունքները ցույց են տալիս, որ ներկառուցված ինդուկցիոն շարժիչը կարող է արդյունավետորեն նվազեցնել ջերմաստիճանը՝ համեմատած օդով հովացվող ինդուկցիոն շարժիչի հետ:
Էլեկտրական շարժիչը ժամանակակից ինժեներական գիտության առանցքային գյուտերից է։Էլեկտրաշարժիչներն օգտագործվում են ամեն ինչում՝ կենցաղային տեխնիկայից մինչև տրանսպորտային միջոցներ, ներառյալ ավտոմոբիլային և օդատիեզերական արդյունաբերությունը:Վերջին տարիներին ինդուկցիոն շարժիչների (AM) հանրաճանաչությունը մեծացել է նրանց բարձր մեկնարկային ոլորող մոմենտով, արագության լավ կառավարմամբ և չափավոր ծանրաբեռնվածությամբ (նկ. 1):Ինդուկցիոն շարժիչները ոչ միայն դարձնում են ձեր լամպերը փայլում, այլև սնուցում են ձեր տան սարքերի մեծ մասը՝ սկսած ատամի խոզանակից մինչև Tesla:Մեխանիկական էներգիան IM-ում ստեղծվում է ստատորի և ռոտորի ոլորունների մագնիսական դաշտի շփման արդյունքում:Բացի այդ, IM-ը կենսունակ տարբերակ է հազվագյուտ հողային մետաղների սահմանափակ մատակարարման պատճառով:Այնուամենայնիվ, AD-ների հիմնական թերությունն այն է, որ դրանց կյանքի տևողությունը և արդյունավետությունը շատ զգայուն են ջերմաստիճանի նկատմամբ:Ինդուկցիոն շարժիչները սպառում են աշխարհի էլեկտրաէներգիայի մոտ 40%-ը, ինչը մեզ պետք է հանգեցնի այն մտքին, որ այդ մեքենաների էներգիայի սպառումը կառավարելը կարևոր է:
Arrhenius-ի հավասարումը նշում է, որ աշխատանքային ջերմաստիճանի յուրաքանչյուր 10°C բարձրացման դեպքում ամբողջ շարժիչի կյանքը կրկնակի կրճատվում է:Ուստի մեքենայի հուսալիությունն ապահովելու և արտադրողականությունը բարձրացնելու համար անհրաժեշտ է ուշադրություն դարձնել արյան ճնշման ջերմային վերահսկմանը։Նախկինում ջերմային վերլուծությունը անտեսվել է, և շարժիչի դիզայներները խնդիրը դիտարկել են միայն ծայրամասում՝ հիմնվելով նախագծման փորձի կամ այլ ծավալային փոփոխականների վրա, ինչպիսիք են ոլորուն հոսանքի խտությունը և այլն: գործի ջեռուցման պայմանները, ինչը հանգեցնում է մեքենայի չափի ավելացմանը և, հետևաբար, արժեքի ավելացմանը:
Գոյություն ունեն ջերմային վերլուծության երկու տեսակ՝ միաձուլված շղթայի վերլուծություն և թվային մեթոդներ:Վերլուծական մեթոդների հիմնական առավելությունը հաշվարկներն արագ և ճշգրիտ կատարելու ունակությունն է:Այնուամենայնիվ, զգալի ջանքեր պետք է գործադրվեն ջերմային ուղիների մոդելավորման համար բավարար ճշգրտությամբ սխեմաները սահմանելու համար:Մյուս կողմից, թվային մեթոդները մոտավորապես բաժանվում են հաշվողական հեղուկների դինամիկայի (CFD) և կառուցվածքային ջերմային վերլուծության (STA), որոնք երկուսն էլ օգտագործում են վերջավոր տարրերի վերլուծություն (FEA):Թվային վերլուծության առավելությունն այն է, որ թույլ է տալիս մոդելավորել սարքի երկրաչափությունը։Այնուամենայնիվ, համակարգի կարգավորումն ու հաշվարկները երբեմն կարող են դժվար լինել:Ստորև քննարկված գիտական ​​հոդվածները տարբեր ժամանակակից ինդուկցիոն շարժիչների ջերմային և էլեկտրամագնիսական վերլուծության ընտրված օրինակներ են:Այս հոդվածները հեղինակներին դրդեցին ուսումնասիրել ասինխրոն շարժիչների ջերմային երևույթները և դրանց հովացման մեթոդները։
Pil-Wan Han1-ը զբաղվում էր MI-ի ջերմային և էլեկտրամագնիսական վերլուծությամբ։Ջերմային վերլուծության համար օգտագործվում է միաձուլված շղթայի վերլուծության մեթոդը, իսկ էլեկտրամագնիսական վերլուծության համար՝ ժամանակի փոփոխվող մագնիսական վերջավոր տարրերի մեթոդը։Ցանկացած արդյունաբերական կիրառությունում ջերմային գերբեռնվածությունից պաշտպանություն պատշաճ կերպով ապահովելու համար ստատորի ոլորուն ջերմաստիճանը պետք է հուսալիորեն գնահատվի:Ահմեդը և ուրիշները 2-ն առաջարկեցին ավելի բարձր կարգի ջերմային ցանցի մոդել՝ հիմնված խորը ջերմային և թերմոդինամիկական նկատառումների վրա:Արդյունաբերական ջերմային պաշտպանության նպատակով ջերմային մոդելավորման մեթոդների մշակումը օգուտ է քաղում վերլուծական լուծումներից և ջերմային պարամետրերի դիտարկումից:
Nair et al.3-ը օգտագործել է 39 կՎտ հզորությամբ IM-ի և 3D թվային ջերմային վերլուծության համակցված վերլուծություն էլեկտրական մեքենայի մեջ ջերմային բաշխումը կանխատեսելու համար:Ying et al.4-ը վերլուծել է օդափոխիչով հովացվող ամբողջությամբ փակ (TEFC) IM-ները՝ 3D ջերմաստիճանի գնահատմամբ:Մունը և այլն:5-ն ուսումնասիրել է IM TEFC-ի ջերմային հոսքի հատկությունները՝ օգտագործելով CFD:LPTN շարժիչի անցման մոդելը տրվել է Todd et al.6-ի կողմից:Փորձարարական ջերմաստիճանի տվյալները օգտագործվում են առաջարկվող LPTN մոդելից ստացված հաշվարկված ջերմաստիճանների հետ միասին:Peter et al.7-ը CFD-ն օգտագործեց՝ ուսումնասիրելու օդի հոսքը, որն ազդում է էլեկտրական շարժիչների ջերմային վարքագծի վրա:
Cabral et al8-ն առաջարկել է պարզ IM ջերմային մոդել, որում մեքենայի ջերմաստիճանը ստացվել է մխոցի ջերմության դիֆուզիայի հավասարման կիրառմամբ:Nategh et al.9-ը ուսումնասիրել է ինքնաօդափոխվող քարշային շարժիչի համակարգը՝ օգտագործելով CFD՝ օպտիմալացված բաղադրիչների ճշգրտությունը ստուգելու համար:Այսպիսով, թվային և փորձարարական ուսումնասիրությունները կարող են օգտագործվել ինդուկցիոն շարժիչների ջերմային վերլուծությունը մոդելավորելու համար, տես նկ.2.
Yinye et al.10-ը առաջարկել է ջերմային կառավարումը բարելավելու դիզայն՝ օգտագործելով ստանդարտ նյութերի ընդհանուր ջերմային հատկությունները և մեքենայի մասերի կորստի ընդհանուր աղբյուրները:Marco et al.11-ը ներկայացրեցին CFD և LPTN մոդելների օգտագործմամբ մեքենաների բաղադրիչների համար հովացման համակարգերի և ջրի բաճկոնների նախագծման չափանիշներ:Yaohui et al.12-ը տրամադրում է տարբեր ուղեցույցներ՝ համապատասխան սառեցման մեթոդ ընտրելու և նախագծման գործընթացի սկզբում կատարողականությունը գնահատելու համար:Նելլը և ուրիշները 13-ն առաջարկել են օգտագործել զուգակցված էլեկտրամագնիսական-ջերմային մոդելավորման մոդելներ արժեքների տվյալ տիրույթի, մանրամասնության մակարդակի և հաշվողական հզորության համար բազմաֆիզիկայի խնդրի համար:Jean et al.14-ը և Kim et al.15-ը ուսումնասիրել են օդով հովացվող ինդուկցիոն շարժիչի ջերմաստիճանի բաշխումը, օգտագործելով 3D զուգակցված FEM դաշտը:Հաշվարկել մուտքային տվյալները՝ օգտագործելով 3D պտտվող հոսանքի դաշտի վերլուծությունը՝ գտնելու Ջոուլի կորուստները և օգտագործել դրանք ջերմային վերլուծության համար:
Michel et al.16-ը համեմատել է սովորական կենտրոնախույս սառեցման օդափոխիչները տարբեր դիզայնի առանցքային օդափոխիչների հետ՝ սիմուլյացիաների և փորձերի միջոցով:Այս նախագծերից մեկը ձեռք է բերել փոքր, բայց զգալի բարելավումներ շարժիչի արդյունավետության մեջ՝ պահպանելով նույն աշխատանքային ջերմաստիճանը:
Lu et al.17-ը օգտագործեց համարժեք մագնիսական շղթայի մեթոդը Բոգլիետիի մոդելի հետ համատեղ՝ ինդուկցիոն շարժիչի լիսեռի վրա երկաթի կորուստները գնահատելու համար:Հեղինակները ենթադրում են, որ մագնիսական հոսքի խտության բաշխումը ցանկացած խաչմերուկում պտտվող շարժիչի ներսում միատեսակ է:Նրանք համեմատեցին իրենց մեթոդը վերջավոր տարրերի վերլուծության և փորձարարական մոդելների արդյունքների հետ:Այս մեթոդը կարող է օգտագործվել MI-ի էքսպրես վերլուծության համար, սակայն դրա ճշգրտությունը սահմանափակ է:
18-ում ներկայացված են գծային ինդուկցիոն շարժիչների էլեկտրամագնիսական դաշտի վերլուծության տարբեր մեթոդներ:Դրանցից նկարագրված են ռեակտիվ ռելսերում հզորության կորուստների գնահատման մեթոդները և քարշային գծային ինդուկցիոն շարժիչների ջերմաստիճանի բարձրացումը կանխատեսելու մեթոդները:Այս մեթոդները կարող են օգտագործվել գծային ինդուկցիոն շարժիչների էներգիայի փոխակերպման արդյունավետությունը բարելավելու համար:
Զաբդուրը և այլք:19-ը ուսումնասիրել է հովացման բաճկոնների աշխատանքը՝ օգտագործելով եռաչափ թվային մեթոդ:Սառեցման բաճկոնն օգտագործում է ջուրը որպես հովացուցիչ նյութի հիմնական աղբյուր եռաֆազ IM-ի համար, ինչը կարևոր է պոմպային պոմպային պահանջվող հզորության և առավելագույն ջերմաստիճանի համար:Rippel et al.20-ը արտոնագրել են հեղուկ հովացման համակարգերի նոր մոտեցում, որը կոչվում է լայնակի շերտավորված սառեցում, որի դեպքում սառնագենտը լայնակի հոսում է նեղ շրջաններով, որոնք ձևավորվում են միմյանց մագնիսական շերտավորման անցքերից:Դերիզադեն և այլք:21-ը փորձնականորեն ուսումնասիրել է քարշիչ շարժիչների սառեցումը ավտոմոբիլային արդյունաբերության մեջ՝ օգտագործելով էթիլեն գլիկոլի և ջրի խառնուրդ:Գնահատեք տարբեր խառնուրդների կատարումը CFD և 3D տուրբուլենտ հեղուկի վերլուծությամբ:Boopathi et al.22-ի սիմուլյացիոն ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ ջրով հովացվող շարժիչների ջերմաստիճանի միջակայքը (17-124°C) զգալիորեն փոքր է, քան օդով հովացվող շարժիչների համար (104-250°C):Ալյումինե ջրով հովացվող շարժիչի առավելագույն ջերմաստիճանը կրճատվել է 50,4%-ով, իսկ PA6GF30 ջրով հովացվող շարժիչի առավելագույն ջերմաստիճանը՝ 48,4%-ով:Bezukov et al.23-ը գնահատել է սանդղակի առաջացման ազդեցությունը շարժիչի պատի ջերմահաղորդականության վրա հեղուկ հովացման համակարգով:Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ 1,5 մմ հաստությամբ օքսիդ թաղանթը նվազեցնում է ջերմության փոխանցումը 30%-ով, մեծացնում է վառելիքի սպառումը և նվազեցնում շարժիչի հզորությունը:
Tanguy et al.24-ը փորձեր է անցկացրել տարբեր հոսքի արագության, յուղի ջերմաստիճանի, պտտման արագության և էլեկտրական շարժիչների ներարկման ռեժիմների հետ, օգտագործելով քսայուղը որպես հովացուցիչ նյութ:Հզոր կապ է հաստատվել հոսքի արագության և ընդհանուր հովացման արդյունավետության միջև:Ha et al.25-ը առաջարկել է օգտագործել կաթիլային վարդակներ որպես վարդակներ՝ նավթի թաղանթը հավասարաչափ բաշխելու և շարժիչի հովացման արդյունավետությունը առավելագույնի հասցնելու համար:
Nandi et al.26-ը վերլուծել է L-աձև հարթ ջերմային խողովակների ազդեցությունը շարժիչի աշխատանքի և ջերմային կառավարման վրա:Ջերմային խողովակի գոլորշիացնող մասը տեղադրվում է շարժիչի պատյանում կամ թաղված է շարժիչի լիսեռում, իսկ կոնդենսատորի մասը տեղադրվում և հովացվում է շրջանառվող հեղուկի կամ օդի միջոցով:Բելետտրը և այլք:27-ը ուսումնասիրել է PCM պինդ-հեղուկ հովացման համակարգը անցողիկ շարժիչի ստատորի համար:PCM-ը ներծծում է ոլորուն գլուխները՝ իջեցնելով տաք կետի ջերմաստիճանը՝ պահպանելով թաքնված ջերմային էներգիա:
Այսպիսով, շարժիչի աշխատանքը և ջերմաստիճանը գնահատվում են հովացման տարբեր ռազմավարությունների միջոցով, տես նկ.3. Այս հովացման սխեմաները նախագծված են ոլորունների, թիթեղների, ոլորուն գլխիկների, մագնիսների, դիակի և ծայրամասային թիթեղների ջերմաստիճանը վերահսկելու համար:
Հեղուկ հովացման համակարգերը հայտնի են իրենց արդյունավետ ջերմափոխանակմամբ:Այնուամենայնիվ, շարժիչի շուրջ հովացուցիչ նյութ մղելը մեծ էներգիա է ծախսում, ինչը նվազեցնում է շարժիչի արդյունավետ հզորությունը:Մյուս կողմից, օդի հովացման համակարգերը լայնորեն կիրառվող մեթոդ են իրենց ցածր գնով և արդիականացման հեշտությամբ:Այնուամենայնիվ, այն դեռ ավելի քիչ արդյունավետ է, քան հեղուկ հովացման համակարգերը:Անհրաժեշտ է ինտեգրված մոտեցում, որը կարող է համատեղել հեղուկով հովացվող համակարգի ջերմափոխանցման բարձր արդյունավետությունը օդով հովացվող համակարգի ցածր գնի հետ՝ առանց լրացուցիչ էներգիա սպառելու:
Այս հոդվածը թվարկում և վերլուծում է ջերմային կորուստները AD-ում:Այս խնդրի մեխանիզմը, ինչպես նաև ինդուկցիոն շարժիչների ջեռուցումն ու հովացումը բացատրված է «Ջերմության կորուստ ինդուկցիոն շարժիչներում» բաժնում՝ «Սառեցման ռազմավարությունների միջոցով»:Ինդուկցիոն շարժիչի միջուկի ջերմության կորուստը վերածվում է ջերմության:Հետևաբար, այս հոդվածը քննարկում է շարժիչի ներսում ջերմության փոխանցման մեխանիզմը հաղորդման և հարկադիր կոնվեկցիայի միջոցով:Զեկուցվում է IM-ի ջերմային մոդելավորում՝ օգտագործելով շարունակականության հավասարումներ, Նավիեր-Սթոքս/մոմենտումային հավասարումներ և էներգիայի հավասարումներ:Հետազոտողները կատարել են IM-ի վերլուծական և թվային ջերմային ուսումնասիրություններ՝ ստատորի ոլորունների ջերմաստիճանը գնահատելու համար՝ էլեկտրական շարժիչի ջերմային ռեժիմը վերահսկելու միակ նպատակով:Այս հոդվածը կենտրոնանում է օդով հովացվող IM-ների ջերմային վերլուծության և օդով սառեցված և ջրով սառեցված ինտեգրված IM-ների ջերմային վերլուծության վրա՝ օգտագործելով CAD մոդելավորում և ANSYS Fluent մոդելավորում:Եվ խորապես վերլուծված են օդային և ջրային հովացման համակարգերի ինտեգրված բարելավված մոդելի ջերմային առավելությունները:Ինչպես նշվեց վերևում, այստեղ թվարկված փաստաթղթերը չեն ներկայացնում ինդուկցիոն շարժիչների ջերմային երևույթների և հովացման ոլորտում արդի վիճակի ամփոփում, բայց դրանք ցույց են տալիս բազմաթիվ խնդիրներ, որոնք պետք է լուծվեն ինդուկցիոն շարժիչների հուսալի շահագործումն ապահովելու համար: .
Ջերմության կորուստը սովորաբար բաժանվում է պղնձի կորստի, երկաթի կորստի և շփման/մեխանիկական կորստի:
Պղնձի կորուստները Ջուլի տաքացման արդյունք են հաղորդիչի դիմադրողականության պատճառով և կարող են քանակական լինել 10.28:
որտեղ q̇g-ն առաջացած ջերմությունն է, I-ը և Ve-ը համապատասխանաբար անվանական հոսանքն ու լարումն են, իսկ Re-ն պղնձի դիմադրությունն է:
Երկաթի կորուստը, որը նաև հայտնի է որպես մակաբուծական կորուստ, կորստի երկրորդ հիմնական տեսակն է, որն առաջացնում է հիստերեզ և պտտվող հոսանքի կորուստներ AM-ում, որոնք հիմնականում պայմանավորված են ժամանակի փոփոխվող մագնիսական դաշտով:Դրանք քանակականացվում են ընդլայնված Շտայնմեցի հավասարմամբ, որի գործակիցները կարելի է համարել հաստատուն կամ փոփոխական՝ կախված գործառնական պայմաններից10,28,29:
որտեղ Khn-ը հիստերեզի կորստի գործակիցն է, որը ստացվում է առանցքային կորստի դիագրամից, Ken-ը` պտտվող հոսանքի կորստի գործակիցը, N-ը ներդաշնակության ինդեքսն է, Bn-ը և f-ը համապատասխանաբար ոչ սինուսոիդային գրգռման գագաթնակետային հոսքի խտությունն ու հաճախականությունն են:Վերոնշյալ հավասարումը կարելի է ավելի պարզեցնել հետևյալ կերպ10,29.
Դրանցից K1-ը և K2-ն են համապատասխանաբար հիմնական կորստի գործակիցը և պտտվող հոսանքի կորուստը (qec), հիստերեզի կորուստը (qh) և ավելորդ կորուստը (qex):
Քամու ծանրաբեռնվածությունը և շփման կորուստները ՄՄ-ում մեխանիկական կորուստների երկու հիմնական պատճառներն են:Քամու և շփման կորուստները՝ 10,
Բանաձևում n-ը պտտման արագությունն է, Kfb-ը՝ շփման կորուստների գործակիցը, D-ը ռոտորի արտաքին տրամագիծն է, l-ը ռոտորի երկարությունն է, G-ը՝ ռոտորի կշիռը 10։
Շարժիչի ներսում ջերմության փոխանցման առաջնային մեխանիզմը հաղորդման և ներքին ջեռուցման միջոցով է, ինչպես որոշվում է այս օրինակում կիրառված Պուասոնի հավասարմամբ30.
Գործողության ընթացքում, ժամանակի որոշակի պահից հետո, երբ շարժիչը հասնում է կայուն վիճակի, առաջացած ջերմությունը կարող է մոտավորվել մակերևույթի ջերմային հոսքի մշտական ​​տաքացմամբ:Հետևաբար, կարելի է ենթադրել, որ շարժիչի ներսում անցկացումն իրականացվում է ներքին ջերմության արտանետմամբ:
Լողակների և շրջակա մթնոլորտի միջև ջերմափոխանակությունը համարվում է հարկադիր կոնվեկցիա, երբ հեղուկը արտաքին ուժի ազդեցությամբ ստիպված է շարժվել որոշակի ուղղությամբ։Կոնվեկցիան կարող է արտահայտվել որպես 30:
որտեղ h-ը ջերմության փոխանցման գործակիցն է (W/m2 K), A-ն մակերեսի մակերեսն է, իսկ ΔT-ն ջերմային փոխանցման մակերեսի և մակերեսին ուղղահայաց սառնագենտի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունն է:Nusselt թիվը (Nu) սահմանին ուղղահայաց կոնվեկտիվ և հաղորդիչ ջերմության փոխանցման հարաբերակցության չափումն է և ընտրվում է լամինար և տուրբուլենտ հոսքի բնութագրերի հիման վրա:Համաձայն էմպիրիկ մեթոդի՝ տուրբուլենտ հոսքի Նուսելտի թիվը սովորաբար կապված է Ռեյնոլդսի և Պրանդտլի թվի հետ՝ արտահայտված 30:
որտեղ h-ը ջերմության փոխանցման կոնվեկտիվ գործակիցն է (W/m2 K), l-ը բնորոշ երկարությունն է, λ-ը հեղուկի ջերմահաղորդականությունն է (W/m K), իսկ Պրանդտի թիվը (Pr) հարաբերակցության չափանիշն է։ Իմպուլսի դիֆուզիայի գործակիցը ջերմային դիֆուզիոնին (կամ ջերմային սահմանային շերտի արագությունը և հարաբերական հաստությունը), որը սահմանվում է որպես 30.
որտեղ k և cp-ը համապատասխանաբար հեղուկի ջերմահաղորդականությունն ու հատուկ ջերմային հզորությունն են:Ընդհանուր առմամբ, օդը և ջուրը էլեկտրական շարժիչների համար ամենատարածված հովացուցիչ նյութերն են:Օդի և ջրի հեղուկ հատկությունները շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում ներկայացված են Աղյուսակ 1-ում:
IM ջերմային մոդելավորումը հիմնված է հետևյալ ենթադրությունների վրա՝ 3D կայուն վիճակ, տուրբուլենտ հոսք, օդը իդեալական գազ է, աննշան ճառագայթում, Նյուտոնյան հեղուկ, չսեղմվող հեղուկ, չսահող վիճակ և հաստատուն հատկություններ:Հետևաբար, հեղուկ տարածքում զանգվածի, իմպուլսի և էներգիայի պահպանման օրենքները կատարելու համար օգտագործվում են հետևյալ հավասարումները.
Ընդհանուր դեպքում զանգվածի պահպանման հավասարումը հավասար է հեղուկով բջիջի զուտ զանգվածային հոսքին, որը որոշվում է բանաձևով.
Նյուտոնի երկրորդ օրենքի համաձայն՝ հեղուկ մասնիկի իմպուլսի փոփոխության արագությունը հավասար է նրա վրա ազդող ուժերի գումարին, իսկ իմպուլսի պահպանման ընդհանուր հավասարումը վեկտորային ձևով կարելի է գրել հետևյալ կերպ.
∇p, ∇∙τij և ρg տերմինները վերը նշված հավասարման մեջ համապատասխանաբար ներկայացնում են ճնշումը, մածուցիկությունը և ձգողականությունը:Մեքենաներում որպես սառեցնող միջոցներ (օդ, ջուր, յուղ և այլն) օգտագործվող հովացուցիչ միջոցները հիմնականում համարվում են Նյուտոնյան:Այստեղ ցուցադրված հավասարումները ներառում են միայն գծային կապը կտրվածքային լարվածության և արագության գրադիենտի (լարման արագության) միջև, որը ուղղահայաց է կտրվածքի ուղղությանը:Հաշվի առնելով մշտական ​​մածուցիկությունը և կայուն հոսքը, հավասարումը (12) կարող է փոխվել 31-ի.
Համաձայն թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի՝ հեղուկ մասնիկի էներգիայի փոփոխության արագությունը հավասար է հեղուկ մասնիկի առաջացրած մաքուր ջերմության և հեղուկ մասնիկի արտադրած զուտ հզորության գումարին։Նյուտոնյան սեղմվող մածուցիկ հոսքի համար էներգիայի պահպանման հավասարումը կարող է արտահայտվել 31.
որտեղ Cp-ը մշտական ​​ճնշման տակ ջերմային հզորությունն է, իսկ ∇ ∙ (k∇T) տերմինը կապված է հեղուկ բջիջի սահմանով ջերմահաղորդականության հետ, որտեղ k-ն նշանակում է ջերմային հաղորդունակություն:Մեխանիկական էներգիայի փոխակերպումը ջերմության դիտարկվում է \(\varnothing\) (այսինքն՝ մածուցիկ ցրման ֆունկցիայի) տեսանկյունից և սահմանվում է որպես.
Որտեղ \(\rho\) հեղուկի խտությունն է, \(\mu\) հեղուկի մածուցիկությունն է, u, v և w համապատասխանաբար հեղուկի արագության x, y, z ուղղության պոտենցիալն է։Այս տերմինը նկարագրում է մեխանիկական էներգիայի փոխակերպումը ջերմային էներգիայի և կարող է անտեսվել, քանի որ դա կարևոր է միայն այն դեպքում, երբ հեղուկի մածուցիկությունը շատ բարձր է, իսկ հեղուկի արագության գրադիենտը շատ մեծ է:Կայուն հոսքի, մշտական ​​տեսակարար ջերմության և ջերմահաղորդականության դեպքում էներգիայի հավասարումը փոփոխվում է հետևյալ կերպ.
Այս հիմնական հավասարումները լուծվում են դեկարտյան կոորդինատային համակարգում շերտավոր հոսքի համար:Այնուամենայնիվ, ինչպես շատ այլ տեխնիկական խնդիրներ, էլեկտրական մեքենաների շահագործումը հիմնականում կապված է տուրբուլենտ հոսքերի հետ:Հետևաբար, այս հավասարումները փոփոխվում են՝ ձևավորելու Reynolds Navier-Stokes (RANS) միջինացման մեթոդը տուրբուլենտության մոդելավորման համար:
Այս աշխատանքում ընտրվել է համապատասխան սահմանային պայմաններով CFD մոդելավորման ANSYS FLUENT 2021 ծրագիրը, ինչպիսին է դիտարկված մոդելը՝ 100 կՎտ հզորությամբ օդային հովացման ասինխրոն շարժիչ, ռոտորի տրամագիծը՝ 80,80 մմ, տրամագիծը։ ստատորի 83,56 մմ (ներքին) և 190 մմ (արտաքին), օդային բացը 1,38 մմ, ընդհանուր երկարությունը 234 մմ, քանակությունը, կողերի հաստությունը 3 մմ:.
SolidWorks օդային հովացվող շարժիչի մոդելն այնուհետ ներմուծվում է ANSYS Fluent և մոդելավորվում:Բացի այդ, ստացված արդյունքները ստուգվում են՝ ապահովելու կատարված սիմուլյացիայի ճշգրտությունը:Բացի այդ, ինտեգրված օդով և ջրով հովացվող IM մոդելավորվել է SolidWorks 2017 ծրագրաշարի միջոցով և մոդելավորվել ANSYS Fluent 2021 ծրագրաշարի միջոցով (Նկար 4):
Այս մոդելի դիզայնը և չափերը ոգեշնչված են Siemens 1LA9 ալյումինե շարքից և մոդելավորվել են SolidWorks 2017-ում: Մոդելը փոքր-ինչ փոփոխվել է՝ համապատասխանելու սիմուլյացիոն ծրագրաշարի կարիքներին:ANSYS Workbench 2021-ով մոդելավորելիս փոփոխեք CAD մոդելները՝ հեռացնելով անցանկալի մասերը, հեռացնելով ֆիլեները, փորվածքները և ավելին:
Դիզայնի նորամուծությունը ջրային բաճկոնն է, որի երկարությունը որոշվել է առաջին մոդելի մոդելավորման արդյունքներով։Որոշ փոփոխություններ են կատարվել ջրային բաճկոնի մոդելավորման մեջ՝ ANSYS-ում գոտկատեղն օգտագործելիս լավագույն արդյունքներ ստանալու համար:IM-ի տարբեր մասերը ներկայացված են նկ.5ա–ֆ.
(Ա).Ռոտորի միջուկը և IM լիսեռը:բ) IM ստատորի միջուկը:գ) IM ստատորի ոլորուն:դ) MI-ի արտաքին շրջանակը:(ե) IM ջրային բաճկոն:զ) օդով և ջրով սառեցված IM մոդելների համադրություն:
Լիսեռի վրա տեղադրված օդափոխիչը ապահովում է օդի մշտական ​​հոսք 10 մ/վրկ և 30 °C ջերմաստիճան լողակների մակերեսին:Փոխարժեքի արժեքը ընտրվում է պատահականորեն՝ կախված այս հոդվածում վերլուծված արյան ճնշման հզորությունից, որն ավելի մեծ է, քան գրականության մեջ նշվածը:Թեժ գոտին ներառում է ռոտորը, ստատորը, ստատորի ոլորունները և ռոտորի վանդակի ձողերը:Ստատորի և ռոտորի նյութերը պողպատ են, ոլորունները և վանդակի ձողերը՝ պղնձե, շրջանակն ու կողերը՝ ալյումին։Այս տարածքներում առաջացող ջերմությունը պայմանավորված է էլեկտրամագնիսական երևույթներով, ինչպիսիք են Ջուլի տաքացումը, երբ արտաքին հոսանքն անցնում է պղնձի կծիկով, ինչպես նաև մագնիսական դաշտի փոփոխություններով։Տարբեր բաղադրիչների ջերմության արտանետման արագությունները վերցված են տարբեր գրականությունից, որոնք հասանելի են 100 կՎտ IM-ի համար:
Ինտեգրված օդով հովացվող և ջրով հովացվող IM-ները, ի լրումն վերը նշված պայմանների, ներառում էին նաև ջրի բաճկոն, որի մեջ ջերմության փոխանցման հնարավորությունները և պոմպի հզորության պահանջները վերլուծվել են ջրի հոսքի տարբեր արագությունների համար (5 լ/րոպե, 10 լ/րոպե): և 15 լ/րոպե):Այս փականը ընտրվել է որպես նվազագույն փական, քանի որ արդյունքները էականորեն չեն փոխվել 5 լ/րոպեից ցածր հոսքերի դեպքում:Բացի այդ, որպես առավելագույն արժեք ընտրվել է 15 լ/րոպե հոսքի արագություն, քանի որ պոմպային հզորությունը զգալիորեն աճել է, չնայած այն հանգամանքին, որ ջերմաստիճանը շարունակել է իջնել:
IM տարբեր մոդելներ ներմուծվել են ANSYS Fluent և հետագայում խմբագրվել ANSYS Design Modeler-ի միջոցով:Այնուհետև, 0,3 × 0,3 × 0,5 մ չափսերով տուփաձև պատյան կառուցվել է AD-ի շուրջ՝ վերլուծելու օդի շարժումը շարժիչի շուրջ և ուսումնասիրելու ջերմության հեռացումը մթնոլորտ:Նմանատիպ անալիզներ են իրականացվել օդով և ջրով հովացվող ինտեգրված IM-ների համար:
IM մոդելը մոդելավորվում է CFD և FEM թվային մեթոդներով:Ցանցերը կառուցված են CFD-ում՝ տիրույթը որոշակի թվով բաղադրիչների բաժանելու համար՝ լուծում գտնելու համար:Շարժիչի բաղադրիչների ընդհանուր բարդ երկրաչափության համար օգտագործվում են համապատասխան տարրերի չափսերով քառասյուն ցանցեր:Բոլոր միջերեսները լցված են 10 շերտով՝ մակերեսային ջերմության փոխանցման ճշգրիտ արդյունքներ ստանալու համար:Երկու MI մոդելների ցանցի երկրաչափությունը ներկայացված է Նկ.6ա, բ.
Էներգիայի հավասարումը թույլ է տալիս ուսումնասիրել ջերմության փոխանցումը շարժիչի տարբեր ոլորտներում:Կ-էպսիլոնային տուրբուլենտության մոդելը՝ պատի ստանդարտ ֆունկցիաներով, ընտրվել է արտաքին մակերեսի շուրջ տուրբուլենտությունը մոդելավորելու համար:Մոդելը հաշվի է առնում կինետիկ էներգիան (Ek) և տուրբուլենտ ցրումը (էպսիլոն):Պղինձը, ալյումինը, պողպատը, օդը և ջուրը ընտրվել են իրենց ստանդարտ հատկությունների համար՝ իրենց համապատասխան կիրառություններում օգտագործելու համար:Ջերմության արտանետման արագությունները (տես Աղյուսակ 2) տրված են որպես մուտքեր, և մարտկոցի տարբեր գոտիների պայմանները սահմանվում են 15, 17, 28, 32: Շարժիչի տուփի վրա օդի արագությունը սահմանվել է 10 մ/վ երկու շարժիչների մոդելների համար, և Բացի այդ, ջրի բաճկոնի համար հաշվի են առնվել ջրի երեք տարբեր դրույքաչափեր (5 լ/րոպե, 10 լ/րոպե և 15 լ/րոպե):Ավելի մեծ ճշգրտության համար բոլոր հավասարումների մնացորդները սահմանվեցին հավասար 1 × 10–6:Ընտրեք SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Equations) ալգորիթմը՝ Navier Prime (NS) հավասարումները լուծելու համար:Հիբրիդային սկզբնավորման ավարտից հետո կարգավորումը կկատարվի 500 կրկնություն, ինչպես ցույց է տրված Նկար 7-ում: