ინდუქციური ძრავების თერმული მართვის ანალიზი ჰაერით გაგრილებული სისტემის და ინტეგრირებული წყლის გაგრილების სისტემის კომბინაციით

გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს.თქვენ იყენებთ ბრაუზერის ვერსიას შეზღუდული CSS მხარდაჭერით.საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში).ამასობაში, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილის და JavaScript-ის გარეშე.
საოპერაციო ხარჯებისა და ძრავის ხანგრძლივობის გამო, ძრავის თერმული მართვის სწორი სტრატეგია ძალზე მნიშვნელოვანია.ამ სტატიამ შეიმუშავა თერმული მართვის სტრატეგია ინდუქციური ძრავებისთვის უკეთესი გამძლეობისა და ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად.გარდა ამისა, ჩატარდა ლიტერატურის ვრცელი მიმოხილვა ძრავის გაგრილების მეთოდების შესახებ.როგორც მთავარი შედეგი, მოცემულია მაღალი სიმძლავრის ჰაერით გაგრილებული ასინქრონული ძრავის თერმული გამოთვლა, სითბოს განაწილების ცნობილი პრობლემის გათვალისწინებით.გარდა ამისა, ეს კვლევა გვთავაზობს ინტეგრირებულ მიდგომას ორი ან მეტი გაგრილების სტრატეგიით მიმდინარე საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად.100 კვტ ჰაერით გაგრილებული ასინქრონული ძრავის მოდელის რიცხვითი შესწავლა და ამავე ძრავის გაუმჯობესებული თერმული მართვის მოდელი, სადაც ძრავის ეფექტურობის მნიშვნელოვანი ზრდა მიიღწევა ჰაერის გაგრილების და ინტეგრირებული წყლის გაგრილების სისტემის კომბინაციით. განახორციელა.ჰაერით გაგრილებული და წყლის გაგრილების ინტეგრირებული სისტემა შესწავლილი იქნა SolidWorks 2017 და ANSYS Fluent 2021 ვერსიების გამოყენებით.სამი განსხვავებული წყლის ნაკადი (5 ლ/წთ, 10 ლ/წთ და 15 ლ/წთ) გაანალიზდა ჩვეულებრივი ჰაერით გაგრილებული ინდუქციური ძრავების მიმართ და დამოწმებული იქნა ხელმისაწვდომი გამოქვეყნებული რესურსების გამოყენებით.ანალიზი გვიჩვენებს, რომ ნაკადის სხვადასხვა სიჩქარისთვის (5 ლ/წთ, 10 ლ/წთ და 15 ლ/წთ შესაბამისად) მივიღეთ შესაბამისი ტემპერატურის შემცირება 2.94%, 4.79% და 7.69%.აქედან გამომდინარე, შედეგები აჩვენებს, რომ ჩაშენებულ ინდუქციურ ძრავას შეუძლია ეფექტურად შეამციროს ტემპერატურა ჰაერით გაგრილებულ ინდუქციურ ძრავთან შედარებით.
ელექტროძრავა თანამედროვე საინჟინრო მეცნიერების ერთ-ერთი მთავარი გამოგონებაა.ელექტროძრავები გამოიყენება ყველაფერში, საყოფაცხოვრებო ტექნიკიდან დაწყებული სატრანსპორტო საშუალებებით, მათ შორის საავტომობილო და კოსმოსური ინდუსტრიაში.ბოლო წლების განმავლობაში, ინდუქციური ძრავების (AM) პოპულარობა გაიზარდა მათი მაღალი საწყისი ბრუნვის, კარგი სიჩქარის კონტროლისა და ზომიერი გადატვირთვის სიმძლავრის გამო (ნახ. 1).ინდუქციური ძრავები არა მხოლოდ ანათებენ თქვენს ნათურებს, არამედ ამარაგებენ თქვენი სახლის გაჯეტების უმეტესობას, კბილის ჯაგრისიდან ტესლამდე.IM-ში მექანიკური ენერგია იქმნება სტატორისა და როტორის გრაგნილების მაგნიტური ველის შეხებით.გარდა ამისა, IM არის სიცოცხლისუნარიანი ვარიანტი იშვიათი დედამიწის ლითონების შეზღუდული მიწოდების გამო.თუმცა, AD-ების მთავარი მინუსი არის ის, რომ მათი სიცოცხლე და ეფექტურობა ძალიან მგრძნობიარეა ტემპერატურის მიმართ.ინდუქციური ძრავები მოიხმარენ მსოფლიო ელექტროენერგიის დაახლოებით 40%-ს, რამაც უნდა გვაფიქრებინოს, რომ ამ მანქანების ენერგიის მოხმარების მართვა კრიტიკულია.
არენიუსის განტოლებაში ნათქვამია, რომ სამუშაო ტემპერატურის ყოველი 10°C მატებაზე, მთელი ძრავის სიცოცხლე განახევრდება.ამიტომ, აპარატის საიმედოობის უზრუნველსაყოფად და პროდუქტიულობის გაზრდის მიზნით, აუცილებელია ყურადღება მიაქციოთ არტერიული წნევის თერმულ კონტროლს.წარსულში თერმული ანალიზი უგულებელყოფილი იყო და ძრავის დიზაინერები განიხილავდნენ პრობლემას მხოლოდ პერიფერიაზე, დიზაინის გამოცდილების ან სხვა განზომილებიანი ცვლადების საფუძველზე, როგორიცაა გრაგნილი დენის სიმკვრივე და ა.შ. საქმის გათბობის პირობები, რის შედეგადაც ხდება მანქანის ზომის ზრდა და, შესაბამისად, ღირებულების ზრდა.
არსებობს თერმული ანალიზის ორი ტიპი: ერთიანი წრედის ანალიზი და რიცხვითი მეთოდები.ანალიტიკური მეთოდების მთავარი უპირატესობა არის გამოთვლების სწრაფად და ზუსტად შესრულების შესაძლებლობა.თუმცა, დიდი ძალისხმევა უნდა განხორციელდეს თერმული ბილიკების სიმულაციისთვის საკმარისი სიზუსტით სქემების განსაზღვრისთვის.მეორეს მხრივ, რიცხვითი მეთოდები უხეშად იყოფა გამოთვლით სითხის დინამიკად (CFD) და სტრუქტურულ თერმულ ანალიზად (STA), ორივე იყენებს სასრულ ელემენტების ანალიზს (FEA).რიცხვითი ანალიზის უპირატესობა ის არის, რომ ის საშუალებას გაძლევთ მოდელის გეომეტრია მოწყობილობა.თუმცა, სისტემის დაყენება და გამოთვლები ზოგჯერ შეიძლება იყოს რთული.ქვემოთ განხილული სამეცნიერო სტატიები არის სხვადასხვა თანამედროვე ინდუქციური ძრავების თერმული და ელექტრომაგნიტური ანალიზის შერჩეული მაგალითები.ამ სტატიებმა უბიძგა ავტორებს შეესწავლათ ასინქრონული ძრავების თერმული ფენომენები და მათი გაგრილების მეთოდები.
Pil-Wan Han1 იყო დაკავებული MI-ს თერმული და ელექტრომაგნიტური ანალიზით.თერმული ანალიზისთვის გამოიყენება ერთიანი წრედის ანალიზის მეთოდი, ხოლო ელექტრომაგნიტური ანალიზისთვის გამოიყენება დროში ცვალებადი მაგნიტური სასრული ელემენტების მეთოდი.იმისათვის, რომ სათანადოდ იყოს დაცული თერმული გადატვირთვისაგან ნებისმიერ სამრეწველო პროგრამაში, სტატორის გრაგნილის ტემპერატურა საიმედოდ უნდა შეფასდეს.Ahmed et al.2-მა შემოგვთავაზა უფრო მაღალი დონის სითბოს ქსელის მოდელი, რომელიც ეფუძნება ღრმა თერმო და თერმოდინამიკურ მოსაზრებებს.სამრეწველო თერმული დაცვის მიზნებისთვის თერმული მოდელირების მეთოდების შემუშავება სარგებლობს ანალიტიკური გადაწყვეტილებებით და თერმული პარამეტრების გათვალისწინებით.
ნაირმა და სხვებმა გამოიყენეს 39 კვტ სიმძლავრის IM და 3D რიცხვითი თერმული ანალიზის კომბინირებული ანალიზი ელექტრო მანქანაში თერმული განაწილების პროგნოზირებისთვის.Ying et al.4-მა გააანალიზეს ვენტილატორით გაგრილებული სრულად ჩაკეტილი (TEFC) IM-ები 3D ტემპერატურის შეფასებით.მუნ და სხვ.5 შეისწავლა IM TEFC-ის სითბოს ნაკადის თვისებები CFD-ის გამოყენებით.LPTN საავტომობილო გადასვლის მოდელი მოცემულია Todd et al.6-ის მიერ.ექსპერიმენტული ტემპერატურის მონაცემები გამოიყენება შემოთავაზებული LPTN მოდელიდან გამოთვლილ ტემპერატურასთან ერთად.პიტერმა და სხვებმა.7 გამოიყენეს CFD ჰაერის ნაკადის შესასწავლად, რომელიც გავლენას ახდენს ელექტროძრავების თერმულ ქცევაზე.
Cabral et al8-მა შემოგვთავაზა მარტივი IM თერმული მოდელი, რომელშიც მანქანის ტემპერატურა მიღებული იყო ცილინდრის სითბოს დიფუზიის განტოლების გამოყენებით.Nategh et al.9-მა შეისწავლა თვითვენტილირებული წევის ძრავის სისტემა CFD-ის გამოყენებით ოპტიმიზებული კომპონენტების სიზუსტის შესამოწმებლად.ამრიგად, რიცხვითი და ექსპერიმენტული კვლევები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ინდუქციური ძრავების თერმული ანალიზის სიმულაციისთვის, იხილეთ ნახ.2.
Yinye et al.10-მა შემოგვთავაზა დიზაინი თერმული მენეჯმენტის გასაუმჯობესებლად სტანდარტული მასალების საერთო თერმული თვისებებისა და მანქანის ნაწილების დაკარგვის საერთო წყაროების გამოყენებით.Marco et al.11-მა წარმოადგინა კრიტერიუმები გაგრილების სისტემებისა და წყლის ქურთუკების დიზაინის მანქანების კომპონენტებისთვის CFD და LPTN მოდელების გამოყენებით.Yaohui et al.12 გვაწვდიან სხვადასხვა მითითებებს გაგრილების შესაბამისი მეთოდის არჩევისა და მუშაობის შესაფასებლად დიზაინის პროცესის დასაწყისში.Nell et al.13-მა შემოგვთავაზა მოდელების გამოყენება დაწყვილებული ელექტრომაგნიტურ-თერმული სიმულაციისთვის მნიშვნელობების მოცემული დიაპაზონისთვის, დეტალების დონისა და გამოთვლითი სიმძლავრის მულტიფიზიკის პრობლემისთვის.Jean et al.14 და Kim et al.15 შეისწავლეს ჰაერით გაგრილებული ინდუქციური ძრავის ტემპერატურის განაწილება 3D დაწყვილებული FEM ველის გამოყენებით.გამოთვალეთ შეყვანის მონაცემები 3D მორევის ველის ანალიზის გამოყენებით, რათა იპოვოთ ჯოულის დანაკარგები და გამოიყენოთ ისინი თერმული ანალიზისთვის.
Michel et al.16-მა შეადარა ჩვეულებრივი ცენტრიდანული გაგრილების ვენტილატორები სხვადასხვა დიზაინის ღერძულ ვენტილატორების სიმულაციებისა და ექსპერიმენტების მეშვეობით.ერთ-ერთმა ამ დიზაინმა მიაღწია მცირე, მაგრამ მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას ძრავის ეფექტურობაში იმავე სამუშაო ტემპერატურის შენარჩუნებით.
Lu et al.17-მა გამოიყენა ეკვივალენტური მაგნიტური წრის მეთოდი ბოგლიეტის მოდელთან ერთად ინდუქციური ძრავის ლილვზე რკინის დანაკარგების შესაფასებლად.ავტორები ვარაუდობენ, რომ მაგნიტური ნაკადის სიმკვრივის განაწილება შპინდლის ძრავის შიგნით ნებისმიერ ჯვარედინი მონაკვეთზე ერთგვაროვანია.მათ თავიანთი მეთოდი შეადარეს სასრული ელემენტების ანალიზისა და ექსპერიმენტული მოდელების შედეგებს.ეს მეთოდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას MI-ს ექსპრესიული ანალიზისთვის, მაგრამ მისი სიზუსტე შეზღუდულია.
18 წარმოდგენილია ხაზოვანი ინდუქციური ძრავების ელექტრომაგნიტური ველის ანალიზის სხვადასხვა მეთოდი.მათ შორის აღწერილია რეაქტიულ რელსებში სიმძლავრის დანაკარგების შეფასების მეთოდები და წევის ხაზოვანი ინდუქციური ძრავების ტემპერატურის ზრდის პროგნოზირების მეთოდები.ეს მეთოდები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ხაზოვანი ინდუქციური ძრავების ენერგიის გარდაქმნის ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად.
ზაბდური და სხვ.19 გამოიკვლია გაგრილების ჟაკეტების მოქმედება სამგანზომილებიანი რიცხვითი მეთოდის გამოყენებით.გამაგრილებელი ქურთუკი იყენებს წყალს, როგორც გამაგრილებლის ძირითად წყაროს სამფაზიანი IM-ისთვის, რაც მნიშვნელოვანია ტუმბოსთვის საჭირო სიმძლავრისა და მაქსიმალური ტემპერატურისთვის.რიპელი და სხვ.20-მა დააპატენტა ახალი მიდგომა თხევადი გაგრილების სისტემებისადმი, სახელწოდებით განივი ლამინირებული გაგრილება, რომლის დროსაც მაცივარი განივი გზით მიედინება ვიწრო რეგიონებში, რომლებიც წარმოიქმნება ერთმანეთის მაგნიტური ლამინირების ხვრელებისგან.დერისზადე და სხვ.21 ექსპერიმენტულად გამოიკვლია წევის ძრავების გაგრილება საავტომობილო ინდუსტრიაში ეთილენ გლიკოლისა და წყლის ნარევის გამოყენებით.შეაფასეთ სხვადასხვა ნარევების მოქმედება CFD და 3D ტურბულენტური სითხის ანალიზით.Boopathi et al.22-ის სიმულაციური კვლევამ აჩვენა, რომ წყლის გაგრილებული ძრავებისთვის (17-124°C) ტემპერატურული დიაპაზონი მნიშვნელოვნად მცირეა, ვიდრე ჰაერით გაცივებული ძრავებისთვის (104-250°C).ალუმინის წყლის გაგრილებული ძრავის მაქსიმალური ტემპერატურა მცირდება 50,4%-ით, ხოლო PA6GF30 წყლის გაგრილებული ძრავის მაქსიმალური ტემპერატურა მცირდება 48,4%-ით.ბეზუკოვმა და სხვებმა 23 შეაფასეს მასშტაბის ფორმირების ეფექტი ძრავის კედლის თბოგამტარობაზე თხევადი გაგრილების სისტემით.კვლევებმა აჩვენა, რომ 1,5 მმ სისქის ოქსიდის ფილმი ამცირებს სითბოს გადაცემას 30%-ით, ზრდის საწვავის მოხმარებას და ამცირებს ძრავის სიმძლავრეს.
Tanguy et al.24-მა ჩაატარა ექსპერიმენტები სხვადასხვა ნაკადის სიჩქარით, ზეთის ტემპერატურით, ბრუნვის სიჩქარით და ინექციის რეჟიმებით ელექტროძრავებისთვის საპოხი ზეთის გამაგრილებლის სახით.ძლიერი კავშირი დამყარდა ნაკადის სიჩქარესა და საერთო გაგრილების ეფექტურობას შორის.Ha et al.25-მა შემოგვთავაზა წვეთოვანი საქშენების გამოყენება საქშენებად ზეთის ფირის თანაბრად გადანაწილებისა და ძრავის გაგრილების ეფექტურობის მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით.
Nandi et al.26-მა გაანალიზეს L- ფორმის ბრტყელი სითბოს მილების ეფექტი ძრავის მუშაობასა და თერმული მართვაზე.სითბოს მილის აორთქლების ნაწილი დამონტაჟებულია ძრავის გარსაცმში ან ჩამარხულია ძრავის ლილვში, ხოლო კონდენსატორის ნაწილი დამონტაჟებულია და გაცივებულია მოცირკულირე სითხის ან ჰაერის საშუალებით.ბელეტრი და სხვ.27 შეისწავლა PCM მყარი-თხევადი გაგრილების სისტემა გარდამავალი ძრავის სტატორისთვის.PCM გაჟღენთავს გრაგნილების თავებს, ამცირებს ცხელი წერტილის ტემპერატურას ლატენტური თერმული ენერგიის შენახვით.
ამრიგად, ძრავის მუშაობა და ტემპერატურა ფასდება გაგრილების სხვადასხვა სტრატეგიის გამოყენებით, იხილეთ ნახ.3. ეს გაგრილების სქემები შექმნილია გრაგნილების, ფირფიტების, გრაგნილების თავების, მაგნიტების, კარკასის და ბოლო ფირფიტების ტემპერატურის გასაკონტროლებლად.
თხევადი გაგრილების სისტემები ცნობილია მათი ეფექტური სითბოს გადაცემით.თუმცა, გამაგრილებლის გადატუმბვა ძრავის გარშემო მოიხმარს დიდ ენერგიას, რაც ამცირებს ძრავის ეფექტურ სიმძლავრეს.ჰაერის გაგრილების სისტემები, თავის მხრივ, ფართოდ გამოყენებული მეთოდია მათი დაბალი ღირებულებისა და განახლების სიმარტივის გამო.თუმცა, ის მაინც ნაკლებად ეფექტურია, ვიდრე თხევადი გაგრილების სისტემები.საჭიროა ინტეგრირებული მიდგომა, რომელსაც შეუძლია გაერთიანდეს თხევადი გაგრილების სისტემის მაღალი სითბოს გადაცემის ეფექტურობა ჰაერით გაგრილებული სისტემის დაბალ ღირებულებასთან დამატებითი ენერგიის მოხმარების გარეშე.
ეს სტატია ჩამოთვლის და აანალიზებს სითბოს დანაკარგებს AD-ში.ამ პრობლემის მექანიზმი, ისევე როგორც ინდუქციური ძრავების გათბობა და გაგრილება, აღწერილია განყოფილებაში სითბოს დაკარგვა ინდუქციურ ძრავებში გაგრილების სტრატეგიების მეშვეობით.ინდუქციური ძრავის ბირთვის სითბოს დაკარგვა გარდაიქმნება სითბოდ.აქედან გამომდინარე, ეს სტატია განიხილავს ძრავის შიგნით სითბოს გადაცემის მექანიზმს გამტარობით და იძულებითი კონვექციის გზით.მოხსენებულია IM-ის თერმული მოდელირება უწყვეტობის განტოლებების, Navier-Stokes/იმპულსის განტოლებების და ენერგიის განტოლებების გამოყენებით.მკვლევარებმა ჩაატარეს IM-ის ანალიტიკური და რიცხვითი თერმული კვლევები სტატორის გრაგნილების ტემპერატურის შესაფასებლად ელექტროძრავის თერმული რეჟიმის კონტროლის ერთადერთი მიზნით.ეს სტატია ყურადღებას ამახვილებს ჰაერით გაგრილებული IM-ების თერმულ ანალიზზე და ინტეგრირებული ჰაერით გაგრილებული და წყლის გაგრილებული IM-ების თერმულ ანალიზზე CAD მოდელირებისა და ANSYS Fluent სიმულაციის გამოყენებით.და ჰაერით გაგრილებული და წყლის გაგრილების სისტემების ინტეგრირებული გაუმჯობესებული მოდელის თერმული უპირატესობები ღრმად არის გაანალიზებული.როგორც ზემოთ აღინიშნა, აქ ჩამოთვლილი დოკუმენტები არ არის შეჯამება თერმული ფენომენების და ინდუქციური ძრავების გაგრილების სფეროში, მაგრამ ისინი მიუთითებენ ბევრ პრობლემაზე, რომელიც უნდა გადაიჭრას ინდუქციური ძრავების საიმედო მუშაობის უზრუნველსაყოფად. .
სითბოს დაკარგვა ჩვეულებრივ იყოფა სპილენძის დანაკარგებად, რკინის დაკარგვად და ხახუნის/მექანიკურ დანაკარგებად.
სპილენძის დანაკარგები არის ჯოულის გაცხელების შედეგი გამტარის წინაღობის გამო და შეიძლება განისაზღვროს როგორც 10.28:
სადაც q̇g არის გამომუშავებული სითბო, I და Ve არის ნომინალური დენი და ძაბვა, შესაბამისად, ხოლო Re არის სპილენძის წინააღმდეგობა.
რკინის დაკარგვა, რომელიც ასევე ცნობილია როგორც პარაზიტული დანაკარგი, არის დანაკარგის მეორე ძირითადი ტიპი, რომელიც იწვევს ისტერეზს და მორევის დენის დანაკარგებს AM-ში, ძირითადად გამოწვეული დროში ცვალებადი მაგნიტური ველით.ისინი რაოდენობრივად განისაზღვრება გაფართოებული შტაინმეცის განტოლებით, რომლის კოეფიციენტები შეიძლება ჩაითვალოს მუდმივი ან ცვლადი სამუშაო პირობების მიხედვით10,28,29.
სადაც Khn არის ჰისტერეზის დაკარგვის ფაქტორი, რომელიც მიღებულია ბირთვის დაკარგვის დიაგრამიდან, Ken არის მორევის დენის დაკარგვის ფაქტორი, N არის ჰარმონიული ინდექსი, Bn და f არის პიკური ნაკადის სიმკვრივე და არასინუსოიდული აგზნების სიხშირე, შესაბამისად.ზემოაღნიშნული განტოლება შეიძლება კიდევ უფრო გამარტივდეს შემდეგნაირად10,29:
მათ შორის, K1 და K2 არის ძირითადი დაკარგვის ფაქტორი და მორევის დენის დაკარგვა (qec), ჰისტერეზის დაკარგვა (qh) და ჭარბი დანაკარგი (qex), შესაბამისად.
ქარის დატვირთვა და ხახუნის დანაკარგები IM-ში მექანიკური დანაკარგების ორი ძირითადი მიზეზია.ქარისა და ხახუნის დანაკარგები არის 10,
ფორმულაში n არის ბრუნვის სიჩქარე, Kfb არის ხახუნის დანაკარგების კოეფიციენტი, D არის როტორის გარე დიამეტრი, l არის როტორის სიგრძე, G არის როტორის წონა 10.
ძრავში სითბოს გადაცემის ძირითადი მექანიზმი არის გამტარობა და შიდა გათბობა, როგორც ეს განსაზღვრულია ამ მაგალითზე გამოყენებული პუასონის განტოლებით30:
ექსპლუატაციის დროს, დროის გარკვეული პერიოდის შემდეგ, როდესაც ძრავა მიაღწევს სტაბილურ მდგომარეობას, წარმოქმნილი სითბო შეიძლება მიახლოებული იყოს ზედაპირის სითბოს ნაკადის მუდმივი გათბობით.აქედან გამომდინარე, შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ ძრავის შიგნით გამტარობა ხორციელდება შიდა სითბოს გათავისუფლებით.
ფარფლებსა და მიმდებარე ატმოსფეროს შორის სითბოს გადაცემა ითვლება იძულებით კონვექციად, როდესაც სითხე იძულებულია გადაადგილდეს გარკვეული მიმართულებით გარე ძალით.კონვექცია შეიძლება გამოიხატოს როგორც 30:
სადაც h არის სითბოს გადაცემის კოეფიციენტი (W/m2 K), A არის ზედაპირის ფართობი და ΔT არის ტემპერატურის სხვაობა სითბოს გადაცემის ზედაპირსა და ზედაპირის პერპენდიკულარულ გამაგრილებელს შორის.ნუსელტის რიცხვი (Nu) არის კონვექციური და გამტარი სითბოს გადაცემის თანაფარდობის საზომი საზღვარზე პერპენდიკულარული და არჩეულია ლამინარული და ტურბულენტური ნაკადის მახასიათებლების საფუძველზე.ემპირიული მეთოდის მიხედვით, ტურბულენტური ნაკადის ნუსელტის რიცხვი ჩვეულებრივ ასოცირდება რეინოლდსის რიცხვთან და პრანდტლის რიცხვთან, გამოხატული 30-ით:
სადაც h არის სითბოს გადაცემის კონვექციური კოეფიციენტი (W/m2 K), l არის დამახასიათებელი სიგრძე, λ არის სითხის თბოგამტარობა (W/m K), ხოლო პრანდლის რიცხვი (Pr) არის თანაფარდობის საზომი. იმპულსის დიფუზიის კოეფიციენტი თერმული დიფუზიურობამდე (ან თერმული სასაზღვრო ფენის სიჩქარე და ფარდობითი სისქე), განისაზღვრება როგორც 30:
სადაც k და cp არის სითხის თბოგამტარობა და სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრე, შესაბამისად.ზოგადად, ჰაერი და წყალი ელექტროძრავებისთვის ყველაზე გავრცელებული გამაგრილებლებია.ჰაერისა და წყლის თხევადი თვისებები გარემოს ტემპერატურაზე ნაჩვენებია ცხრილში 1.
IM თერმული მოდელირება ეფუძნება შემდეგ ვარაუდებს: 3D მდგრადი მდგომარეობა, ტურბულენტური ნაკადი, ჰაერი იდეალური გაზი, უმნიშვნელო გამოსხივება, ნიუტონის სითხე, შეუკუმშვა სითხე, მოცურების გარეშე მდგომარეობა და მუდმივი თვისებები.აქედან გამომდინარე, შემდეგი განტოლებები გამოიყენება თხევადი რეგიონში მასის, იმპულსის და ენერგიის შენარჩუნების კანონების შესასრულებლად.
ზოგად შემთხვევაში, მასის კონსერვაციის განტოლება უდრის თხევად უჯრედში მასის წმინდა ნაკადს, რომელიც განისაზღვრება ფორმულით:
ნიუტონის მეორე კანონის მიხედვით, თხევადი ნაწილაკის იმპულსის ცვლილების სიჩქარე უდრის მასზე მოქმედი ძალების ჯამს, ხოლო იმპულსის შენარჩუნების ზოგადი განტოლება შეიძლება დაიწეროს ვექტორული სახით:
ტერმინები ∇p, ∇∙τij და ρg ზემოთ განტოლებაში ასახავს წნევას, სიბლანტეს და გრავიტაციას, შესაბამისად.გამაგრილებელი საშუალებები (ჰაერი, წყალი, ზეთი და ა.შ.), რომლებიც გამოიყენება მანქანებში გამაგრილებლად, ზოგადად მიჩნეულია ნიუტონად.აქ ნაჩვენები განტოლებები მოიცავს მხოლოდ წრფივ ურთიერთობას ათვლის ძაბვასა და სიჩქარის გრადიენტს (დაძაბულობის სიჩქარეს) შორის ათვლის მიმართულების პერპენდიკულარული.მუდმივი სიბლანტისა და სტაბილური დინების გათვალისწინებით, განტოლება (12) შეიძლება შეიცვალოს 31-მდე:
თერმოდინამიკის პირველი კანონის მიხედვით, თხევადი ნაწილაკების ენერგიის ცვლილების სიჩქარე ტოლია თხევადი ნაწილაკის მიერ გამომუშავებული წმინდა სითბოს ჯამისა და თხევადი ნაწილაკის მიერ წარმოებული წმინდა სიმძლავრის ჯამს.ნიუტონის შეკუმშვადი ბლანტი ნაკადისთვის ენერგიის კონსერვაციის განტოლება შეიძლება გამოისახოს როგორც 31:
სადაც Cp არის სითბოს სიმძლავრე მუდმივი წნევის დროს და ტერმინი ∇ ∙ (k∇T) დაკავშირებულია თბოგამტარობასთან თხევადი უჯრედის საზღვრებში, სადაც k აღნიშნავს თბოგამტარობას.მექანიკური ენერგიის გადაქცევა სითბოდ განიხილება \(\varnothing\) თვალსაზრისით (ანუ ბლანტი გაფრქვევის ფუნქცია) და განისაზღვრება როგორც:
სადაც \(\rho\) არის სითხის სიმკვრივე, \(\mu\) არის სითხის სიბლანტე, u, v და w არის სითხის სიჩქარის x, y, z მიმართულების პოტენციალი შესაბამისად.ეს ტერმინი აღწერს მექანიკური ენერგიის თერმულ ენერგიად გარდაქმნას და შეიძლება მისი იგნორირება, რადგან ის მნიშვნელოვანია მხოლოდ მაშინ, როდესაც სითხის სიბლანტე ძალიან მაღალია და სითხის სიჩქარის გრადიენტი ძალიან დიდია.სტაბილური ნაკადის, მუდმივი სპეციფიკური სითბოს და თბოგამტარობის შემთხვევაში, ენერგიის განტოლება იცვლება შემდეგნაირად:
ეს ძირითადი განტოლებები ამოხსნილია ლამინარული ნაკადისთვის დეკარტის კოორდინატულ სისტემაში.თუმცა, ისევე როგორც მრავალი სხვა ტექნიკური პრობლემა, ელექტრო მანქანების მუშაობა პირველ რიგში დაკავშირებულია ტურბულენტურ ნაკადებთან.მაშასადამე, ეს განტოლებები მოდიფიცირებულია, რათა შეიქმნას რეინოლდს ნავიე-სტოკსის (RANS) საშუალო მეთოდი ტურბულენტობის მოდელირებისთვის.
ამ ნამუშევარში არჩეულია ANSYS FLUENT 2021 პროგრამა CFD მოდელირებისთვის შესაბამისი სასაზღვრო პირობებით, როგორიცაა განხილული მოდელი: ასინქრონული ძრავა ჰაერის გაგრილებით 100 კვტ სიმძლავრით, როტორის დიამეტრი 80,80 მმ, დიამეტრი. სტატორის 83,56 მმ (შიდა) და 190 მმ (გარე), ჰაერის უფსკრული 1,38 მმ, საერთო სიგრძე 234 მმ, რაოდენობა , ნეკნების სისქე 3 მმ..
შემდეგ SolidWorks ჰაერით გაგრილებული ძრავის მოდელი იმპორტირებულია ANSYS Fluent-ში და სიმულირებულია.გარდა ამისა, მიღებული შედეგების შემოწმება ხდება შესრულებული სიმულაციის სიზუსტის უზრუნველსაყოფად.გარდა ამისა, ინტეგრირებული ჰაერით და წყლით გაგრილებული IM მოდელირებული იყო SolidWorks 2017 პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით და სიმულირებული იყო ANSYS Fluent 2021 პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით (სურათი 4).
ამ მოდელის დიზაინი და ზომები შთაგონებულია Siemens 1LA9 ალუმინის სერიით და მოდელირებულია SolidWorks 2017-ში. მოდელი ოდნავ შეცვლილია სიმულაციური პროგრამული უზრუნველყოფის საჭიროებებისთვის.შეცვალეთ CAD მოდელები არასასურველი ნაწილების ამოღებით, ფილეების, ჩამჭრელების ამოღებით და სხვა ANSYS Workbench 2021-ით მოდელირებისას.
დიზაინის ინოვაციაა წყლის ქურთუკი, რომლის სიგრძე განისაზღვრა პირველი მოდელის სიმულაციის შედეგებით.ზოგიერთი ცვლილება განხორციელდა წყლის ქურთუკის სიმულაციაში, რათა მიიღოთ საუკეთესო შედეგი ANSYS-ში წელის გამოყენებისას.IM-ის სხვადასხვა ნაწილები ნაჩვენებია ნახ.5a–f.
(A).როტორის ბირთვი და IM ლილვი.(ბ) IM სტატორის ბირთვი.(გ) IM სტატორის გრაგნილი.(დ) MI-ს გარე ჩარჩო.(ე) IM წყლის ქურთუკი.ვ) ჰაერით და წყლით გაგრილებული IM მოდელების კომბინაცია.
ლილვზე დამონტაჟებული ვენტილატორი უზრუნველყოფს ჰაერის მუდმივ ნაკადს 10 მ/წმ და 30 °C ტემპერატურას ფარფლების ზედაპირზე.მაჩვენებლის მნიშვნელობა არჩეულია შემთხვევით, ამ სტატიაში გაანალიზებული არტერიული წნევის სიმძლავრის მიხედვით, რომელიც აღემატება ლიტერატურაში მითითებულს.ცხელ ზონაში შედის როტორი, სტატორი, სტატორის გრაგნილები და როტორის გალიის ზოლები.სტატორისა და როტორის მასალები არის ფოლადი, გრაგნილები და გალიის წნელები სპილენძის, ჩარჩო და ნეკნები ალუმინის.ამ ადგილებში წარმოქმნილი სითბო გამოწვეულია ელექტრომაგნიტური ფენომენებით, როგორიცაა ჯოულის გათბობა, როდესაც გარე დენი გადის სპილენძის ხვეულში, ისევე როგორც მაგნიტური ველის ცვლილებები.სხვადასხვა კომპონენტის სითბოს გამოყოფის სიჩქარე აღებულია სხვადასხვა ლიტერატურიდან, რომელიც ხელმისაწვდომია 100 კვტ IM-ისთვის.
ინტეგრირებული ჰაერით გაგრილებული და წყლით გაგრილებული IM-ები, ზემოაღნიშნული პირობების გარდა, ასევე მოიცავდა წყლის ქურთუკს, რომელშიც გაანალიზებული იყო სითბოს გადაცემის შესაძლებლობები და ტუმბოს სიმძლავრის მოთხოვნები სხვადასხვა წყლის ნაკადისთვის (5 ლ/წთ, 10 ლ/წთ. და 15 ლ/წთ).ეს სარქველი არჩეულ იქნა მინიმალურ სარქველად, ვინაიდან შედეგები მნიშვნელოვნად არ შეცვლილა 5 ლ/წთ-ზე დაბალ ნაკადებზე.გარდა ამისა, მაქსიმალურ მნიშვნელობად არჩეული იყო ნაკადის სიჩქარე 15 ლ/წთ, ვინაიდან სატუმბი სიმძლავრე მნიშვნელოვნად გაიზარდა, მიუხედავად იმისა, რომ ტემპერატურა აგრძელებდა ვარდნას.
სხვადასხვა IM მოდელები იმპორტირებული იყო ANSYS Fluent-ში და შემდგომი რედაქტირებულია ANSYS Design Modeler-ის გამოყენებით.გარდა ამისა, ყუთის ფორმის გარსაცმები 0,3 × 0,3 × 0,5 მ ზომით აშენდა AD-ის გარშემო ძრავის გარშემო ჰაერის მოძრაობის გასაანალიზებლად და ატმოსფეროში სითბოს მოცილების შესასწავლად.მსგავსი ანალიზები ჩატარდა ინტეგრირებული ჰაერით და წყლით გაცივებული IM-ებისთვის.
IM მოდელი მოდელირებულია CFD და FEM რიცხვითი მეთოდების გამოყენებით.ბადეები ჩაშენებულია CFD-ში, რათა დაყოს დომენი გარკვეულ კომპონენტებად, რათა იპოვოთ გამოსავალი.ტეტრაედრული ბადეები შესაბამისი ელემენტების ზომებით გამოიყენება ძრავის კომპონენტების ზოგადი რთული გეომეტრიისთვის.ზედაპირის სითბოს გადაცემის ზუსტი შედეგების მისაღებად ყველა ინტერფეისი ივსებოდა 10 ფენით.ორი MI მოდელის ბადის გეომეტრია ნაჩვენებია ნახ.6ა, ბ.
ენერგიის განტოლება საშუალებას გაძლევთ შეისწავლოთ სითბოს გადაცემა ძრავის სხვადასხვა სფეროში.K-epsilon ტურბულენტური მოდელი სტანდარტული კედლის ფუნქციებით შეირჩა გარე ზედაპირის გარშემო ტურბულენტობის მოდელირებისთვის.მოდელი ითვალისწინებს კინეტიკურ ენერგიას (Ek) და ტურბულენტურ გაფრქვევას (ეფსილონი).სპილენძი, ალუმინი, ფოლადი, ჰაერი და წყალი შეირჩა მათი სტანდარტული თვისებებით, მათ შესაბამის პროგრამებში გამოსაყენებლად.სითბოს გაფრქვევის სიხშირე (იხ. ცხრილი 2) მოცემულია შეყვანის სახით, და ბატარეის ზონის სხვადასხვა პირობები დაყენებულია 15, 17, 28, 32. ჰაერის სიჩქარე ძრავის კორპუსზე დაყენებული იყო 10 მ/წმ-ზე ორივე ძრავის მოდელისთვის და გარდა ამისა, წყლის ჟაკეტისთვის გათვალისწინებული იყო წყლის სამი განსხვავებული მაჩვენებელი (5 ლ/წთ, 10 ლ/წთ და 15 ლ/წთ).მეტი სიზუსტისთვის, ყველა განტოლების ნარჩენები დაყენებული იყო 1 × 10–6-ის ტოლი.აირჩიეთ SIMPLE (ნახევრად იმპლიციტური მეთოდი წნევის განტოლებისთვის) ალგორითმი Navier Prime (NS) განტოლებების ამოსახსნელად.ჰიბრიდული ინიციალიზაციის დასრულების შემდეგ, დაყენება განახორციელებს 500 გამეორებას, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 7.