एअर-कूल्ड सिस्टम आणि एकात्मिक वॉटर-कूलिंग सिस्टम एकत्र करून इंडक्शन मोटर्सचे थर्मल व्यवस्थापन विश्लेषण

Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद.तुम्ही मर्यादित CSS समर्थनासह ब्राउझर आवृत्ती वापरत आहात.सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड अक्षम करा).दरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही शैली आणि JavaScript शिवाय साइट दाखवत आहोत.
इंजिनच्या ऑपरेटिंग खर्च आणि दीर्घायुष्यामुळे, योग्य इंजिन थर्मल व्यवस्थापन धोरण अत्यंत महत्वाचे आहे.या लेखाने चांगले टिकाऊपणा आणि कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी इंडक्शन मोटर्ससाठी थर्मल व्यवस्थापन धोरण विकसित केले आहे.याव्यतिरिक्त, इंजिन कूलिंग पद्धतींवरील साहित्याचे विस्तृत पुनरावलोकन केले गेले.मुख्य परिणाम म्हणून, उष्णता वितरणाची सुप्रसिद्ध समस्या लक्षात घेऊन उच्च-शक्तीच्या एअर-कूल्ड एसिंक्रोनस मोटरची थर्मल गणना दिली जाते.याव्यतिरिक्त, हा अभ्यास सध्याच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी दोन किंवा अधिक शीतकरण धोरणांसह एकात्मिक दृष्टीकोन प्रस्तावित करतो.100 किलोवॅट एअर-कूल्ड एसिंक्रोनस मोटरच्या मॉडेलचा आणि त्याच मोटरच्या सुधारित थर्मल मॅनेजमेंट मॉडेलचा संख्यात्मक अभ्यास, ज्यामध्ये एअर कूलिंग आणि एकात्मिक वॉटर कूलिंग सिस्टमच्या संयोजनाद्वारे मोटर कार्यक्षमतेत लक्षणीय वाढ केली जाते. चालते.SolidWorks 2017 आणि ANSYS Fluent 2021 आवृत्ती वापरून एकात्मिक एअर-कूल्ड आणि वॉटर-कूल्ड सिस्टमचा अभ्यास करण्यात आला.तीन वेगवेगळ्या पाण्याचे प्रवाह (5 L/min, 10 L/min, आणि 15 L/min) पारंपारिक एअर-कूल्ड इंडक्शन मोटर्सच्या विरूद्ध विश्लेषित केले गेले आणि उपलब्ध प्रकाशित संसाधने वापरून सत्यापित केले गेले.विश्लेषण दर्शविते की भिन्न प्रवाह दरांसाठी (अनुक्रमे 5 L/min, 10 L/min आणि 15 L/min) आम्ही 2.94%, 4.79% आणि 7.69% तपमान कमी केले.म्हणून, परिणाम दर्शविते की एम्बेडेड इंडक्शन मोटर एअर-कूल्ड इंडक्शन मोटरच्या तुलनेत तापमान प्रभावीपणे कमी करू शकते.
इलेक्ट्रिक मोटर हा आधुनिक अभियांत्रिकी विज्ञानातील प्रमुख शोधांपैकी एक आहे.ऑटोमोटिव्ह आणि एरोस्पेस उद्योगांसह घरगुती उपकरणांपासून वाहनांपर्यंत सर्व गोष्टींमध्ये इलेक्ट्रिक मोटरचा वापर केला जातो.अलिकडच्या वर्षांत, इंडक्शन मोटर्स (AM) ची लोकप्रियता त्यांच्या उच्च प्रारंभिक टॉर्कमुळे, चांगले वेग नियंत्रण आणि मध्यम ओव्हरलोड क्षमता (चित्र 1) यामुळे वाढली आहे.इंडक्शन मोटर्स केवळ तुमचे लाइट बल्ब चमकत नाहीत तर ते तुमच्या घरातील बहुतेक गॅझेट्स, तुमच्या टूथब्रशपासून ते तुमच्या टेस्लापर्यंत पॉवर करतात.आयएममधील यांत्रिक ऊर्जा स्टेटर आणि रोटर विंडिंगच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या संपर्काद्वारे तयार केली जाते.याव्यतिरिक्त, दुर्मिळ पृथ्वी धातूंच्या मर्यादित पुरवठ्यामुळे IM हा एक व्यवहार्य पर्याय आहे.तथापि, एडीजचा मुख्य गैरसोय हा आहे की त्यांचे जीवनकाळ आणि कार्यक्षमता तापमानास अत्यंत संवेदनशील असते.इंडक्शन मोटर्स जगातील सुमारे 40% विजेचा वापर करतात, ज्यामुळे आम्हाला असे वाटले पाहिजे की या मशीन्सच्या वीज वापराचे व्यवस्थापन करणे महत्त्वाचे आहे.
अ‍ॅरेनिअस समीकरण असे सांगते की ऑपरेटिंग तापमानात प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सिअस वाढीसाठी, संपूर्ण इंजिनचे आयुष्य अर्धे होते.म्हणून, विश्वासार्हता सुनिश्चित करण्यासाठी आणि मशीनची उत्पादकता वाढविण्यासाठी, रक्तदाबाच्या थर्मल नियंत्रणाकडे लक्ष देणे आवश्यक आहे.भूतकाळात, थर्मल विश्लेषणाकडे दुर्लक्ष केले गेले आहे आणि मोटर डिझायनर्सनी डिझाइन अनुभवाच्या आधारावर किंवा इतर मितीय व्हेरिएबल्स जसे की वाइंडिंग करंट डेन्सिटी इ.च्या आधारे केवळ परिघातील समस्येचा विचार केला आहे. या दृष्टीकोनांमुळे सर्वात वाईट-साठी मोठ्या सुरक्षा मार्जिन लागू होतात केस गरम करण्याची परिस्थिती, परिणामी मशीनच्या आकारात वाढ होते आणि त्यामुळे खर्चात वाढ होते.
थर्मल विश्लेषणाचे दोन प्रकार आहेत: लम्प्ड सर्किट विश्लेषण आणि संख्यात्मक पद्धती.विश्लेषणात्मक पद्धतींचा मुख्य फायदा म्हणजे गणना जलद आणि अचूकपणे करण्याची क्षमता.तथापि, थर्मल पथांचे अनुकरण करण्यासाठी पुरेशा अचूकतेसह सर्किट्स परिभाषित करण्यासाठी लक्षणीय प्रयत्न करणे आवश्यक आहे.दुसरीकडे, संख्यात्मक पद्धती साधारणपणे संगणकीय द्रव गतिशीलता (CFD) आणि स्ट्रक्चरल थर्मल विश्लेषण (STA) मध्ये विभागल्या जातात, ज्या दोन्ही मर्यादित घटक विश्लेषण (FEA) वापरतात.संख्यात्मक विश्लेषणाचा फायदा असा आहे की ते आपल्याला डिव्हाइसची भूमिती मॉडेल करण्यास अनुमती देते.तथापि, सिस्टम सेटअप आणि गणना कधीकधी कठीण असू शकते.खाली चर्चा केलेले वैज्ञानिक लेख विविध आधुनिक इंडक्शन मोटर्सच्या थर्मल आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक विश्लेषणाची निवडक उदाहरणे आहेत.या लेखांनी लेखकांना एसिंक्रोनस मोटर्समधील थर्मल घटना आणि त्यांच्या थंड होण्याच्या पद्धतींचा अभ्यास करण्यास प्रवृत्त केले.
Pil-Wan Han1 MI च्या थर्मल आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक विश्लेषणामध्ये गुंतले होते.थर्मल विश्लेषणासाठी लम्पेड सर्किट विश्लेषण पद्धत वापरली जाते आणि विद्युत चुंबकीय विश्लेषणासाठी वेळ-वेरिंग चुंबकीय मर्यादित घटक पद्धत वापरली जाते.कोणत्याही औद्योगिक ऍप्लिकेशनमध्ये थर्मल ओव्हरलोड संरक्षण योग्यरित्या प्रदान करण्यासाठी, स्टेटर विंडिंगच्या तापमानाचा विश्वासार्ह अंदाज लावणे आवश्यक आहे.अहमद et al.2 ने खोल थर्मल आणि थर्मोडायनामिक विचारांवर आधारित उच्च ऑर्डर हीट नेटवर्क मॉडेल प्रस्तावित केले.औद्योगिक थर्मल संरक्षणाच्या उद्देशांसाठी थर्मल मॉडेलिंग पद्धतींचा विकास विश्लेषणात्मक उपाय आणि थर्मल पॅरामीटर्सच्या विचारातून फायदा होतो.
नायर et al.3 ने इलेक्ट्रिकल मशीनमधील थर्मल वितरणाचा अंदाज लावण्यासाठी 39 kW IM चे एकत्रित विश्लेषण आणि 3D संख्यात्मक थर्मल विश्लेषण वापरले.Ying et al.4 ने 3D तापमान अंदाजासह फॅन-कूल्ड पूर्णत: संलग्न (TEFC) IM चे विश्लेषण केले.चंद्र वगैरे.5 ने CFD वापरून IM TEFC च्या उष्णता प्रवाह गुणधर्मांचा अभ्यास केला.एलपीटीएन मोटर ट्रान्झिशन मॉडेल टॉड एट अल.6 यांनी दिले होते.प्रस्तावित LPTN मॉडेलमधून काढलेल्या गणना केलेल्या तापमानासह प्रायोगिक तापमान डेटा वापरला जातो.पीटर एट अल.7 ने इलेक्ट्रिक मोटर्सच्या थर्मल वर्तनावर परिणाम करणाऱ्या हवेच्या प्रवाहाचा अभ्यास करण्यासाठी CFD चा वापर केला.
Cabral et al8 ने एक साधे IM थर्मल मॉडेल प्रस्तावित केले ज्यामध्ये सिलेंडर उष्णता प्रसार समीकरण लागू करून मशीनचे तापमान प्राप्त केले गेले.Nategh et al.9 ने ऑप्टिमाइझ केलेल्या घटकांची अचूकता तपासण्यासाठी CFD वापरून स्व-हवेशीन ट्रॅक्शन मोटर प्रणालीचा अभ्यास केला.अशा प्रकारे, संख्यात्मक आणि प्रायोगिक अभ्यासाचा उपयोग इंडक्शन मोटर्सच्या थर्मल विश्लेषणाचे अनुकरण करण्यासाठी केला जाऊ शकतो, अंजीर पहा.2.
Yinye et al.10 ने मानक सामग्रीच्या सामान्य थर्मल गुणधर्मांचा आणि मशीनच्या भागाच्या नुकसानाच्या सामान्य स्त्रोतांचा वापर करून थर्मल व्यवस्थापन सुधारण्यासाठी डिझाइन प्रस्तावित केले.Marco et al.11 ने CFD आणि LPTN मॉडेल्स वापरून मशीन घटकांसाठी शीतकरण प्रणाली आणि वॉटर जॅकेट डिझाइन करण्यासाठी निकष सादर केले.Yaohui et al.12 योग्य कूलिंग पद्धत निवडण्यासाठी आणि डिझाइन प्रक्रियेच्या सुरुवातीच्या कार्यक्षमतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी विविध मार्गदर्शक तत्त्वे प्रदान करतात.Nell et al.13 ने मल्टीफिजिक्स समस्येसाठी दिलेल्या मूल्यांच्या श्रेणी, तपशीलाची पातळी आणि संगणकीय शक्तीसाठी जोडलेल्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक-थर्मल सिम्युलेशनसाठी मॉडेल्स वापरण्याचा प्रस्ताव दिला.Jean et al.14 आणि Kim et al.15 यांनी 3D कपल्ड FEM फील्ड वापरून एअर-कूल्ड इंडक्शन मोटरच्या तापमान वितरणाचा अभ्यास केला.जौल नुकसान शोधण्यासाठी 3D एडी वर्तमान फील्ड विश्लेषण वापरून इनपुट डेटाची गणना करा आणि थर्मल विश्लेषणासाठी त्यांचा वापर करा.
Michel et al.16 ने सिम्युलेशन आणि प्रयोगांद्वारे पारंपारिक सेंट्रीफ्यूगल कूलिंग फॅन्सची विविध डिझाईन्सच्या अक्षीय पंख्यांशी तुलना केली.यापैकी एका डिझाईन्सने समान ऑपरेटिंग तापमान राखून इंजिनच्या कार्यक्षमतेत लहान परंतु लक्षणीय सुधारणा केल्या.
Lu et al.17 ने इंडक्शन मोटरच्या शाफ्टवरील लोखंडाच्या नुकसानाचा अंदाज लावण्यासाठी बोग्लिएटी मॉडेलच्या संयोजनात समतुल्य चुंबकीय सर्किट पद्धत वापरली.स्पिंडल मोटरच्या आतील कोणत्याही क्रॉस विभागात चुंबकीय प्रवाह घनतेचे वितरण एकसमान असते असे लेखक गृहीत धरतात.त्यांनी त्यांच्या पद्धतीची मर्यादित घटक विश्लेषण आणि प्रायोगिक मॉडेल्सच्या परिणामांशी तुलना केली.ही पद्धत MI च्या स्पष्ट विश्लेषणासाठी वापरली जाऊ शकते, परंतु तिची अचूकता मर्यादित आहे.
18 रेखीय इंडक्शन मोटर्सच्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक क्षेत्राचे विश्लेषण करण्यासाठी विविध पद्धती सादर करते.त्यापैकी, रिऍक्टिव्ह रेलमधील पॉवर लॉसचा अंदाज लावण्याच्या पद्धती आणि ट्रॅक्शन लिनियर इंडक्शन मोटर्सच्या तापमान वाढीचा अंदाज लावण्याच्या पद्धती वर्णन केल्या आहेत.रेखीय इंडक्शन मोटर्सची ऊर्जा रूपांतरण कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी या पद्धती वापरल्या जाऊ शकतात.
जब्दुर वगैरे.19 ने त्रिमितीय संख्यात्मक पद्धत वापरून कूलिंग जॅकेटच्या कार्यप्रदर्शनाची तपासणी केली.कूलिंग जॅकेट थ्री-फेज IM साठी कूलंटचा मुख्य स्त्रोत म्हणून पाणी वापरते, जे पंपिंगसाठी आवश्यक शक्ती आणि कमाल तापमानासाठी महत्वाचे आहे.रिपेल इ.20 ने ट्रान्सव्हर्स लॅमिनेटेड कूलिंग नावाच्या लिक्विड कूलिंग सिस्टमसाठी एक नवीन दृष्टीकोन पेटंट केला आहे, ज्यामध्ये रेफ्रिजरंट एकमेकांच्या चुंबकीय लॅमिनेशनमधील छिद्रांमुळे तयार झालेल्या अरुंद प्रदेशांमधून आडवा वाहते.डेरिसझाडे इ.21 ने इथिलीन ग्लायकोल आणि पाण्याच्या मिश्रणाचा वापर करून ऑटोमोटिव्ह उद्योगातील ट्रॅक्शन मोटर्सच्या कूलिंगची प्रायोगिकपणे तपासणी केली.CFD आणि 3D अशांत द्रव विश्लेषणासह विविध मिश्रणांच्या कामगिरीचे मूल्यांकन करा.Boopathi et al.22 च्या सिम्युलेशन अभ्यासात असे दिसून आले आहे की वॉटर-कूल्ड इंजिनसाठी तापमान श्रेणी (17-124°C) एअर-कूल्ड इंजिनच्या (104-250°C) पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी आहे.अॅल्युमिनियम वॉटर-कूल्ड मोटरचे कमाल तापमान 50.4% कमी झाले आहे आणि PA6GF30 वॉटर-कूल्ड मोटरचे कमाल तापमान 48.4% ने कमी झाले आहे.Bezukov et al.23 ने द्रव शीतकरण प्रणालीसह इंजिनच्या भिंतीच्या थर्मल चालकतेवर स्केल निर्मितीच्या प्रभावाचे मूल्यांकन केले.अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की 1.5 मिमी जाड ऑक्साईड फिल्म 30% ने उष्णता हस्तांतरण कमी करते, इंधनाचा वापर वाढवते आणि इंजिनची शक्ती कमी करते.
Tanguy et al.24 ने शीतलक म्हणून स्नेहन तेल वापरून इलेक्ट्रिक मोटर्ससाठी विविध प्रवाह दर, तेलाचे तापमान, घूर्णन गती आणि इंजेक्शन मोडचे प्रयोग केले.प्रवाह दर आणि एकूण कूलिंग कार्यक्षमता यांच्यात मजबूत संबंध प्रस्थापित झाला आहे.Ha et al.25 ने ऑइल फिल्म समान रीतीने वितरीत करण्यासाठी आणि इंजिन कूलिंग कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी ठिबक नोजल नोजल म्हणून वापरण्याची सूचना केली.
Nandi et al.26 ने इंजिन कार्यक्षमतेवर आणि थर्मल व्यवस्थापनावर L-आकाराच्या फ्लॅट हीट पाईप्सच्या प्रभावाचे विश्लेषण केले.उष्मा पाईप बाष्पीभवक भाग मोटर केसिंगमध्ये स्थापित केला जातो किंवा मोटर शाफ्टमध्ये पुरला जातो आणि कंडेनसर भाग स्थापित केला जातो आणि द्रव किंवा हवा फिरवून थंड केला जातो.बेलेट्रे आणि इतर.27 ने क्षणिक मोटर स्टेटरसाठी पीसीएम सॉलिड-लिक्विड कूलिंग सिस्टमचा अभ्यास केला.PCM विंडिंग हेड्सना गर्भधारणा करते, अव्यक्त थर्मल ऊर्जा साठवून हॉट स्पॉट तापमान कमी करते.
अशा प्रकारे, भिन्न शीतलक धोरणे वापरून मोटर कामगिरी आणि तापमानाचे मूल्यांकन केले जाते, अंजीर पहा.3. हे कूलिंग सर्किट्स विंडिंग्स, प्लेट्स, विंडिंग हेड्स, मॅग्नेट, कॅस आणि एंड प्लेट्सचे तापमान नियंत्रित करण्यासाठी डिझाइन केलेले आहेत.
लिक्विड कूलिंग सिस्टम त्यांच्या कार्यक्षम उष्णता हस्तांतरणासाठी ओळखल्या जातात.तथापि, इंजिनभोवती कूलंट पंप केल्याने भरपूर ऊर्जा खर्च होते, ज्यामुळे इंजिनचे प्रभावी पॉवर आउटपुट कमी होते.दुसरीकडे, एअर कूलिंग सिस्टम त्यांच्या कमी किमतीमुळे आणि अपग्रेडच्या सुलभतेमुळे मोठ्या प्रमाणात वापरल्या जाणार्‍या पद्धती आहेत.तथापि, ते द्रव शीतकरण प्रणालींपेक्षा कमी कार्यक्षम आहे.एकात्मिक दृष्टीकोन आवश्यक आहे जो अतिरिक्त उर्जेचा वापर न करता एअर-कूल्ड सिस्टमच्या कमी किमतीसह द्रव-कूल्ड सिस्टमची उच्च उष्णता हस्तांतरण कार्यप्रदर्शन एकत्र करू शकतो.
हा लेख AD मध्ये उष्णतेच्या नुकसानीची सूची आणि विश्लेषण करतो.या समस्येची यंत्रणा, तसेच इंडक्शन मोटर्सचे गरम करणे आणि थंड करणे, कूलिंग स्ट्रॅटेजीजद्वारे इंडक्शन मोटर्समधील उष्णता नुकसान विभागात स्पष्ट केले आहे.इंडक्शन मोटरच्या कोरच्या उष्णतेचे नुकसान उष्णतेमध्ये रूपांतरित होते.म्हणून, हा लेख संवहन आणि सक्तीच्या संवहनाने इंजिनच्या आत उष्णता हस्तांतरणाच्या यंत्रणेची चर्चा करतो.सातत्य समीकरणे, नेविअर-स्टोक्स/मोमेंटम समीकरणे आणि ऊर्जा समीकरणे वापरून IM चे थर्मल मॉडेलिंग नोंदवले जाते.इलेक्ट्रिक मोटरच्या थर्मल रेजिमवर नियंत्रण ठेवण्याच्या एकमेव उद्देशाने स्टेटर विंडिंग्सच्या तापमानाचा अंदाज घेण्यासाठी संशोधकांनी IM चे विश्लेषणात्मक आणि संख्यात्मक थर्मल अभ्यास केले.हा लेख एअर-कूल्ड IM चे थर्मल विश्लेषण आणि CAD मॉडेलिंग आणि ANSYS फ्लुएंट सिम्युलेशन वापरून एकात्मिक एअर-कूल्ड आणि वॉटर-कूल्ड IM चे थर्मल विश्लेषण यावर लक्ष केंद्रित करतो.आणि एअर-कूल्ड आणि वॉटर-कूल्ड सिस्टमच्या एकात्मिक सुधारित मॉडेलच्या थर्मल फायद्यांचे सखोल विश्लेषण केले आहे.वर नमूद केल्याप्रमाणे, येथे सूचीबद्ध केलेली कागदपत्रे थर्मल घटना आणि इंडक्शन मोटर्सच्या कूलिंगच्या क्षेत्रातील अत्याधुनिक स्थितीचा सारांश नाहीत, परंतु ते इंडक्शन मोटर्सचे विश्वसनीय ऑपरेशन सुनिश्चित करण्यासाठी निराकरण करणे आवश्यक असलेल्या अनेक समस्या दर्शवतात. .
उष्णतेचे नुकसान सामान्यतः तांबेचे नुकसान, लोहाचे नुकसान आणि घर्षण/यांत्रिक नुकसानामध्ये विभागले जाते.
कॉपरचे नुकसान हे कंडक्टरच्या प्रतिरोधकतेमुळे जौल हीटिंगचे परिणाम आहे आणि त्याचे परिमाण 10.28 असे केले जाऊ शकते:
जेथे q̇g ही उष्णता निर्माण होते, I आणि Ve अनुक्रमे नाममात्र विद्युत् प्रवाह आणि व्होल्टेज आहेत आणि Re हा तांब्याचा प्रतिकार आहे.
लोह कमी होणे, ज्याला परजीवी नुकसान देखील म्हटले जाते, हा दुसरा मुख्य प्रकार आहे ज्यामुळे AM मध्ये हिस्टेरेसिस आणि एडी करंट नुकसान होते, मुख्यतः वेळ-बदलणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्रामुळे.ते विस्तारित स्टीनमेट्झ समीकरणाद्वारे परिमाणित केले जातात, ज्याचे गुणांक ऑपरेटिंग परिस्थितीनुसार स्थिर किंवा परिवर्तनीय मानले जाऊ शकतात10,28,29.
जेथे Khn हा कोर लॉस डायग्राममधून काढलेला हिस्टेरेसिस लॉस फॅक्टर आहे, केन हा एडी करंट लॉस फॅक्टर आहे, N हा हार्मोनिक इंडेक्स आहे, Bn आणि f अनुक्रमे नॉन-साइनसॉइडल उत्तेजनाची पीक फ्लक्स घनता आणि वारंवारता आहेत.वरील समीकरण पुढीलप्रमाणे आणखी सरलीकृत केले जाऊ शकते 10,29:
त्यापैकी, K1 आणि K2 हे अनुक्रमे कोर लॉस फॅक्टर आणि एडी करंट लॉस (qec), हिस्टेरेसिस लॉस (qh), आणि जास्त नुकसान (qex) आहेत.
पवन भार आणि घर्षण नुकसान ही IM मधील यांत्रिक नुकसानाची दोन मुख्य कारणे आहेत.वारा आणि घर्षण नुकसान 10 आहेत,
सूत्रामध्ये, n हा घूर्णन गती आहे, Kfb हा घर्षण नुकसानाचा गुणांक आहे, D हा रोटरचा बाह्य व्यास आहे, l रोटरची लांबी आहे, G हे रोटरचे वजन आहे 10.
इंजिनमधील उष्णता हस्तांतरणाची प्राथमिक यंत्रणा म्हणजे वहन आणि अंतर्गत गरम करणे, या उदाहरणावर लागू केलेल्या पॉसॉन समीकरण 30 द्वारे निर्धारित केले आहे:
ऑपरेशन दरम्यान, मोटार स्थिर स्थितीत पोहोचल्यावर ठराविक वेळेनंतर, पृष्ठभागावरील उष्णतेच्या प्रवाहाच्या सतत गरम करून निर्माण होणारी उष्णता अंदाजे केली जाऊ शकते.म्हणून, असे गृहीत धरले जाऊ शकते की इंजिनच्या आतील वहन अंतर्गत उष्णता सोडण्यासह चालते.
पंख आणि सभोवतालच्या वातावरणातील उष्णता हस्तांतरण हे सक्तीचे संवहन मानले जाते, जेव्हा द्रवपदार्थाला बाह्य शक्तीद्वारे विशिष्ट दिशेने जाण्यास भाग पाडले जाते.संवहन 30 म्हणून व्यक्त केले जाऊ शकते:
जेथे h उष्णता हस्तांतरण गुणांक आहे (W/m2 K), A हे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आहे आणि ΔT हे उष्णता हस्तांतरण पृष्ठभाग आणि पृष्ठभागावरील रेफ्रिजरंट लंब यांच्यातील तापमानाचा फरक आहे.नसेल्ट क्रमांक (Nu) हे सीमेला लंब असलेल्या संवहनी आणि प्रवाहकीय उष्णता हस्तांतरणाच्या गुणोत्तराचे मोजमाप आहे आणि ते लॅमिनार आणि अशांत प्रवाहाच्या वैशिष्ट्यांवर आधारित निवडले जाते.प्रायोगिक पद्धतीनुसार, अशांत प्रवाहाचा नसेल्ट क्रमांक सामान्यत: रेनॉल्ड्स क्रमांक आणि प्रांडटल क्रमांकाशी संबंधित असतो, 30 म्हणून व्यक्त केला जातो:
जेथे h हा संवहनी उष्णता हस्तांतरण गुणांक आहे (W/m2 K), l ही वैशिष्ट्यपूर्ण लांबी आहे, λ ही द्रवपदार्थाची थर्मल चालकता आहे (W/m K), आणि Prandtl संख्या (Pr) हे गुणोत्तराचे मोजमाप आहे थर्मल डिफ्युसिव्हिटी (किंवा वेग आणि थर्मल बाउंडरी लेयरची सापेक्ष जाडी) साठी संवेग प्रसार गुणांक 30 म्हणून परिभाषित:
जेथे k आणि cp ही अनुक्रमे द्रवाची थर्मल चालकता आणि विशिष्ट उष्णता क्षमता आहे.सर्वसाधारणपणे, इलेक्ट्रिक मोटर्ससाठी हवा आणि पाणी हे सर्वात सामान्य शीतलक आहेत.सभोवतालच्या तापमानात हवा आणि पाण्याचे द्रव गुणधर्म तक्ता 1 मध्ये दर्शविले आहेत.
IM थर्मल मॉडेलिंग खालील गृहितकांवर आधारित आहे: 3D स्थिर स्थिती, अशांत प्रवाह, हवा एक आदर्श वायू आहे, नगण्य किरणोत्सर्ग, न्यूटोनियन द्रवपदार्थ, संकुचित द्रव, नो-स्लिप स्थिती आणि स्थिर गुणधर्म.म्हणून, द्रव प्रदेशातील वस्तुमान, संवेग आणि उर्जेच्या संवर्धनाच्या नियमांची पूर्तता करण्यासाठी खालील समीकरणे वापरली जातात.
सामान्य स्थितीत, वस्तुमान संवर्धन समीकरण हे द्रवासह सेलमधील निव्वळ वस्तुमान प्रवाहाच्या समान असते, जे सूत्राद्वारे निर्धारित केले जाते:
न्यूटनच्या दुसर्‍या नियमानुसार, द्रव कणाच्या संवेगाच्या बदलाचा दर त्याच्यावर कार्य करणार्‍या शक्तींच्या बेरजेइतका असतो आणि सामान्य संवेग संवर्धन समीकरण सदिश स्वरूपात असे लिहिले जाऊ शकते:
वरील समीकरणातील ∇p, ∇∙τij आणि ρg या संज्ञा अनुक्रमे दाब, चिकटपणा आणि गुरुत्वाकर्षण दर्शवतात.मशीनमध्ये शीतलक म्हणून वापरले जाणारे शीतकरण माध्यम (हवा, पाणी, तेल इ.) सामान्यतः न्यूटोनियन मानले जाते.येथे दर्शविलेल्या समीकरणांमध्ये कातरणेचा ताण आणि कातरणे दिशेला लंब असलेला वेग ग्रेडियंट (स्ट्रेन रेट) यांच्यातील रेषीय संबंध समाविष्ट आहेत.स्थिर स्निग्धता आणि स्थिर प्रवाह लक्षात घेऊन, समीकरण (12) 31 मध्ये बदलले जाऊ शकते:
थर्मोडायनामिक्सच्या पहिल्या नियमानुसार, द्रव कणाच्या ऊर्जेतील बदलाचा दर द्रव कणाद्वारे निर्माण होणारी निव्वळ उष्णता आणि द्रव कणाने निर्माण केलेली निव्वळ शक्ती यांच्या बेरजेइतका असतो.न्यूटोनियन कंप्रेसिबल चिपचिपा प्रवाहासाठी, ऊर्जा संवर्धन समीकरण ३१ असे व्यक्त केले जाऊ शकते:
जेथे Cp ही स्थिर दाबावरील उष्णता क्षमता आहे, आणि ∇ ∙ (k∇T) हा शब्द द्रव सेल सीमेद्वारे थर्मल चालकतेशी संबंधित आहे, जेथे k थर्मल चालकता दर्शवितो.यांत्रिक ऊर्जेचे उष्णतेमध्ये रूपांतर \(\varnothing\) (म्हणजे, चिकट विघटन कार्य) नुसार मानले जाते आणि त्याची व्याख्या खालीलप्रमाणे आहे:
जेथे \(\rho\) द्रवाची घनता आहे, \(\mu\) द्रवाची स्निग्धता आहे, u, v आणि w हे अनुक्रमे द्रव वेगाच्या x, y, z या दिशेची संभाव्यता आहेत.ही संज्ञा यांत्रिक ऊर्जेचे थर्मल उर्जेमध्ये रूपांतर करण्याचे वर्णन करते आणि त्याकडे दुर्लक्ष केले जाऊ शकते कारण जेव्हा द्रवपदार्थाची चिकटपणा खूप जास्त असते आणि द्रवाचा वेग ग्रेडियंट खूप मोठा असतो तेव्हाच हे महत्त्वाचे असते.स्थिर प्रवाह, स्थिर विशिष्ट उष्णता आणि थर्मल चालकता यांच्या बाबतीत, ऊर्जा समीकरण खालीलप्रमाणे सुधारित केले जाते:
ही मूलभूत समीकरणे कार्टेशियन समन्वय प्रणालीमध्ये लॅमिनार प्रवाहासाठी सोडवली जातात.तथापि, इतर अनेक तांत्रिक समस्यांप्रमाणे, इलेक्ट्रिकल मशीनचे कार्य प्रामुख्याने अशांत प्रवाहांशी संबंधित आहे.म्हणून, ही समीकरणे रेनॉल्ड्स नेव्हीअर-स्टोक्स (RANS) टर्ब्युलेन्स मॉडेलिंगसाठी सरासरी पद्धत तयार करण्यासाठी सुधारित केली आहेत.
या कामात, CFD मॉडेलिंगसाठी संबंधित सीमा परिस्थितींसह ANSYS FLUENT 2021 प्रोग्राम निवडला गेला, जसे की विचारात घेतलेले मॉडेल: 100 kW क्षमतेचे एअर कूलिंग असलेले असिंक्रोनस इंजिन, रोटरचा व्यास 80.80 मिमी, व्यास स्टेटरचे 83.56 मिमी (अंतर्गत) आणि 190 मिमी (बाह्य), हवेतील अंतर 1.38 मिमी, एकूण लांबी 234 मिमी, प्रमाण , फास्यांची जाडी 3 मिमी..
सॉलिडवर्क्स एअर-कूल्ड इंजिन मॉडेल नंतर ANSYS फ्लुएंट आणि सिम्युलेटेड मध्ये आयात केले जाते.याव्यतिरिक्त, प्राप्त केलेल्या परिणामांची तपासणी केलेल्या सिम्युलेशनची अचूकता सुनिश्चित करण्यासाठी तपासले जाते.याव्यतिरिक्त, सॉलिडवर्क्स 2017 सॉफ्टवेअर वापरून एकात्मिक एअर- आणि वॉटर-कूल्ड IM मॉडेल केले गेले आणि ANSYS फ्लुएंट 2021 सॉफ्टवेअर (आकृती 4) वापरून नक्कल केले गेले.
या मॉडेलची रचना आणि परिमाणे Siemens 1LA9 अॅल्युमिनियम मालिकेपासून प्रेरित आहेत आणि सॉलिडवर्क्स 2017 मध्ये मॉडेल केलेले आहेत. सिम्युलेशन सॉफ्टवेअरच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी मॉडेलमध्ये थोडासा बदल करण्यात आला आहे.ANSYS Workbench 2021 सह मॉडेलिंग करताना नको असलेले भाग काढून टाकून, फिलेट्स, चेम्फर्स आणि बरेच काही काढून CAD मॉडेल्समध्ये बदल करा.
डिझाईनमधील नावीन्य म्हणजे वॉटर जॅकेट, ज्याची लांबी पहिल्या मॉडेलच्या सिम्युलेशन परिणामांवरून निश्चित केली गेली.ANSYS मध्ये कंबर वापरताना सर्वोत्तम परिणाम मिळविण्यासाठी वॉटर जॅकेट सिम्युलेशनमध्ये काही बदल केले गेले आहेत.IM चे विविध भाग अंजीर मध्ये दर्शविले आहेत.5a–f.
(अ).रोटर कोर आणि IM शाफ्ट.(b) IM स्टेटर कोर.(c) IM स्टेटर विंडिंग.(d) MI ची बाह्य फ्रेम.(e) IM वॉटर जॅकेट.f) एअर आणि वॉटर कूल्ड IM मॉडेल्सचे संयोजन.
शाफ्ट-माउंट केलेला पंखा पंखांच्या पृष्ठभागावर 10 m/s चा सतत हवा प्रवाह आणि 30 °C तापमान प्रदान करतो.या लेखातील विश्लेषण केलेल्या रक्तदाबाच्या क्षमतेनुसार दराचे मूल्य यादृच्छिकपणे निवडले जाते, जे साहित्यात दर्शविलेल्यापेक्षा जास्त आहे.हॉट झोनमध्ये रोटर, स्टेटर, स्टेटर विंडिंग्ज आणि रोटर केज बार समाविष्ट आहेत.स्टेटर आणि रोटरची सामग्री स्टील आहे, विंडिंग्ज आणि केज रॉड्स तांबे आहेत, फ्रेम आणि रिब अॅल्युमिनियम आहेत.या भागात निर्माण होणारी उष्णता विद्युत चुंबकीय घटनांमुळे होते, जसे की जौल तापणे जेव्हा तांब्याच्या कॉइलमधून बाह्य प्रवाह जातो तेव्हा तसेच चुंबकीय क्षेत्रामध्ये बदल होतो.100 kW IM साठी उपलब्ध असलेल्या विविध साहित्यातून विविध घटकांचे उष्णता सोडण्याचे दर घेतले गेले.
एकात्मिक एअर-कूल्ड आणि वॉटर-कूल्ड IM मध्ये, वरील परिस्थितींव्यतिरिक्त, वॉटर जॅकेट देखील समाविष्ट आहे, ज्यामध्ये विविध पाण्याच्या प्रवाह दरांसाठी उष्णता हस्तांतरण क्षमता आणि पंप पॉवर आवश्यकतांचे विश्लेषण केले गेले (5 l/min, 10 l/min आणि 15 लि/मिनिट).हा झडपा किमान झडप म्हणून निवडला गेला, कारण 5 L/मिनिट पेक्षा कमी प्रवाहासाठी परिणाम लक्षणीय बदलले नाहीत.याव्यतिरिक्त, कमाल मूल्य म्हणून 15 L/min चा प्रवाह दर निवडला गेला, कारण तापमानात सतत घट होत असूनही पंपिंग पॉवरमध्ये लक्षणीय वाढ झाली आहे.
विविध IM मॉडेल्स ANSYS Fluent मध्ये आयात केले गेले आणि ANSYS डिझाइन मॉडेलर वापरून पुढे संपादित केले गेले.पुढे, इंजिनच्या सभोवतालच्या हवेच्या हालचालीचे विश्लेषण करण्यासाठी आणि वातावरणातील उष्णता काढून टाकण्याचा अभ्यास करण्यासाठी AD च्या आसपास 0.3 × 0.3 × 0.5 मीटर परिमाण असलेले बॉक्स-आकाराचे आवरण तयार केले गेले.अशाच प्रकारचे विश्लेषण एकात्मिक एअर- आणि वॉटर-कूल्ड IM साठी केले गेले.
IM मॉडेल CFD आणि FEM संख्यात्मक पद्धती वापरून तयार केले आहे.उपाय शोधण्यासाठी डोमेनला ठराविक घटकांमध्ये विभाजित करण्यासाठी CFD मध्ये मेश तयार केले जातात.इंजिन घटकांच्या सामान्य जटिल भूमितीसाठी योग्य घटक आकारांसह टेट्राहेड्रल जाळी वापरली जातात.अचूक पृष्ठभाग उष्णता हस्तांतरण परिणाम प्राप्त करण्यासाठी सर्व इंटरफेस 10 स्तरांनी भरले होते.दोन एमआय मॉडेल्सची ग्रिड भूमिती अंजीर मध्ये दर्शविली आहे.6a, b.
उर्जा समीकरण आपल्याला इंजिनच्या विविध भागात उष्णता हस्तांतरणाचा अभ्यास करण्यास अनुमती देते.मानक वॉल फंक्शन्ससह के-एप्सिलॉन टर्ब्युलेन्स मॉडेल बाह्य पृष्ठभागाभोवती अशांततेचे मॉडेल करण्यासाठी निवडले गेले.मॉडेल गतिज ऊर्जा (Ek) आणि अशांत अपव्यय (एप्सिलॉन) विचारात घेते.तांबे, अॅल्युमिनियम, स्टील, हवा आणि पाणी त्यांच्या संबंधित अनुप्रयोगांमध्ये वापरण्यासाठी त्यांच्या मानक गुणधर्मांसाठी निवडले गेले.उष्णता नष्ट होण्याचे दर (तक्ता 2 पहा) इनपुट म्हणून दिलेले आहेत, आणि वेगवेगळ्या बॅटरी झोन ​​स्थिती 15, 17, 28, 32 वर सेट केल्या आहेत. दोन्ही मोटर मॉडेल्ससाठी मोटर केसवरील हवेचा वेग 10 मी/से वर सेट केला गेला आहे, आणि याशिवाय, वॉटर जॅकेटसाठी तीन वेगवेगळे पाणी दर विचारात घेण्यात आले होते (5 l/min, 10 l/min आणि 15 l/min).अधिक अचूकतेसाठी, सर्व समीकरणांचे अवशेष 1 × 10–6 च्या समान सेट केले गेले.Navier प्राइम (NS) समीकरणे सोडवण्यासाठी SIMPLE (प्रेशर इक्वेशन्ससाठी सेमी-इम्प्लिसिट मेथड) अल्गोरिदम निवडा.संकरित प्रारंभ पूर्ण झाल्यानंतर, आकृती 7 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, सेटअप 500 पुनरावृत्ती चालवेल.