Анализ терморегулирования асинхронного двигателя с помощью комбинации воздуха

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10125 (2023) Цитировать эту статью

572 Доступа

Подробности о метриках

Правильная стратегия управления теплом в электрических машинах чрезвычайно важна из-за их эксплуатационных затрат и продолжительности эксплуатации. В этой статье разработаны стратегии элементов терморегулирования асинхронных двигателей для обеспечения большей выносливости и повышения эффективности. Кроме того, был проведен обширный обзор литературы по методам охлаждения электрических машин. В качестве основного результата дан термический анализ асинхронного двигателя с воздушным охлаждением большой мощности с учетом известных проблем распределения тепла. Более того, в этом исследовании также представлен интегрированный подход с двумя или более стратегиями охлаждения, которые являются актуальной необходимостью. Модель асинхронного двигателя с воздушным охлаждением мощностью 100 кВт и улучшенная модель терморегулирования того же двигателя были численно исследованы с использованием комбинации воздушного охлаждения и встроенной системы водяного охлаждения для достижения значительного повышения эффективности двигателя. Интегрированная система, включающая системы с воздушным и водяным охлаждением, исследуется с использованием SolidWorks 2017 и ANSYS Fluent версии 2021. Три различных расхода воды: 5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин анализируются и сравниваются с обычным асинхронным двигателем с воздушным охлаждением, который было проверено с использованием доступных опубликованных ресурсов. Проведенный анализ показывает, что для различных скоростей потока (5 л/мин, 10 л/мин и 15 л/мин соответственно) мы получили снижение температуры соответственно на 2,94%, 4,79% и 7,69%. Таким образом, результаты показали, что встроенный асинхронный двигатель эффективно снижает температуру по сравнению с асинхронным двигателем с воздушным охлаждением.

Электродвигатель – одно из ключевых изобретений современной инженерной науки. Электродвигатели используются в различных отраслях: от бытовой техники до транспорта, включая автомобилестроение и авиакосмическую промышленность. В последние годы популярность асинхронных двигателей (АД) возросла благодаря их высокому пусковому моменту, хорошему регулированию скорости и соответствующей перегрузочной способности (рис. 1). Асинхронный двигатель не только заставляет лампочку светиться, но и ежедневно питает большинство гаджетов в вашем доме, от зубной щетки до автомобиля Tesla. Механическая мощность создается в АД за счет контакта магнитных полей обмоток статора и ротора. Кроме того, поскольку запасы редкоземельных металлов ограничены, IM являются жизнеспособным выбором. Однако основным недостатком ИМ является то, что их срок службы и эффективность очень чувствительны к температуре. Асинхронные двигатели потребляют около 40% всей электроэнергии в мире, что должно заставить нас задуматься о том, что управление энергопотреблением этих машин имеет решающее значение.

Перечень особенностей асинхронного двигателя.

Уравнение Аррениуса гласит, что срок службы всего двигателя уменьшается вдвое каждый раз, когда рабочая температура увеличивается на 10 °C. Таким образом, для обеспечения надежности и повышения производительности машин необходимо сосредоточиться на терморегулировании АД. В прошлом термическому анализу уделялось недостаточно внимания, и разработчики двигателей обращались к нему лишь второстепенно, основываясь на опыте проектирования или других переменных размеров, таких как плотность тока в обмотке и т. д. Эти методы приводят к применению большого коэффициента безопасности, чтобы справиться с наихудшим нагревом. ситуации, что приводит к увеличению размеров машины и, в свою очередь, к увеличению стоимости.

Термический анализ подразделяется на два типа: аналитические схемы с сосредоточенными параметрами и численные подходы. Ключевым преимуществом аналитического подхода является его способность производить быстрые и точные расчеты. Однако необходимо провести большую работу, чтобы определить схему, достаточно точную для имитации тепловых путей. Численные подходы, с другой стороны, широко классифицируются как вычислительная гидродинамика (CFD) и структурный термический анализ (STA), оба из которых используют анализ конечных элементов (FEA). Преимущество численного анализа состоит в том, что мы можем моделировать геометрию устройства. Однако иногда могут возникнуть трудности с настройкой системы и вычислительной работой. Научные статьи, обсуждаемые ниже, представляют собой избранные примеры теплового и электромагнитного анализа различных современных асинхронных двигателей. Эти работы вдохновили авторов на работу по изучению тепловых явлений в индукционных машинах и методов их охлаждения.