Wärmemanagementanalysen von Induktionsmotoren durch die Kombination von Luft

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10125 (2023) Diesen Artikel zitieren

728 Zugriffe

1 Zitate

Details zu den Metriken

Aufgrund der Betriebskosten und Betriebsdauer elektrischer Maschinen ist die richtige Strategie des Wärmemanagements äußerst wichtig. In diesem Artikel werden die Wärmemanagement-Elementstrategien der Induktionsmotoren entwickelt, um eine bessere Lebensdauer zu gewährleisten und die Effizienz zu steigern. Darüber hinaus wurde eine umfassende Literaturrecherche im Hinblick auf Kühlmethoden für elektrische Maschinen durchgeführt. Als Hauptergebnis wird die thermische Analyse eines luftgekühlten und leistungsstarken Induktionsmotors unter Berücksichtigung bekannter Wärmeverteilungsprobleme gegeben. Darüber hinaus präsentiert diese Studie auch einen integrierten Ansatz mit zwei oder mehr Kühlstrategien, die das Gebot der Stunde sind. Ein Modell eines luftgekühlten 100-kW-Induktionsmotors und ein verbessertes Wärmemanagementmodell desselben Motors wurden beide numerisch untersucht, wobei eine Kombination aus Luftkühlung und integrierten Wasserkühlsystemen verwendet wurde, um eine deutliche Verbesserung der Motoreffizienz zu erreichen. Das integrierte System bestehend aus luft- und wassergekühlten Systemen wird mit SolidWorks 2017 und ANSYS Fluent Version 2021 untersucht. Drei verschiedene Wasserdurchflussraten (5 LPM, 10 LPM und 15 LPM) werden analysiert und mit einem herkömmlichen luftgekühlten Induktionsmotor verglichen wurde mit den verfügbaren veröffentlichten Ressourcen validiert. Durchgeführte Analysen zeigen, dass wir für unterschiedliche Durchflussraten von 5 LPM, 10 LPM bzw. 15 LPM eine entsprechende Temperaturreduzierung von 2,94 %, 4,79 % und 7,69 % erhalten haben. Daher deuten die Ergebnisse darauf hin, dass ein integrierter Induktionsmotor die Temperatur im Vergleich zu einem luftgekühlten Induktionsmotor wirksam senkt.

Der Elektromotor ist eine der Schlüsselerfindungen der modernen Ingenieurwissenschaften. Elektromotoren werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, von Haushaltsgeräten bis hin zum Transportwesen, einschließlich Automobil und Luft- und Raumfahrt. Induktionsmotoren (IMs) erfreuen sich in den letzten Jahren aufgrund ihres hohen Anlaufdrehmoments, der guten Drehzahlregelung und der entsprechenden Überlastfähigkeit zunehmender Beliebtheit (Abb. 1). Der Induktionsmotor bringt nicht nur Ihre Glühbirne zum Leuchten, sondern versorgt auch die meisten Geräte in Ihrem Zuhause jeden Tag mit Strom, von der Zahnbürste bis zum Tesla-Auto. Mechanische Energie wird in einem IM durch den Kontakt der Magnetfelder der Stator- und Rotorwicklungen erzeugt. Da seltene Erdmetalle nur in begrenztem Umfang verfügbar sind, sind IMs außerdem eine praktikable Wahl. Der Hauptnachteil von IMs besteht jedoch darin, dass ihre Lebensdauer und Effizienz sehr temperaturabhängig sind. Induktionsmotoren verbrauchen rund 40 % des gesamten Stroms auf der Welt, was uns zu der Annahme veranlassen sollte, dass das Energiemanagement dieser Maschinen von entscheidender Bedeutung ist.

Liste der Merkmale des Induktionsmotors.

Die Arrhenius-Gleichung besagt, dass sich die Lebensdauer des gesamten Motors jedes Mal halbiert, wenn die Betriebstemperatur um 10 °C erhöht wird. Um die Zuverlässigkeit sicherzustellen und die Maschinenleistung zu verbessern, ist es daher notwendig, sich auf das Wärmemanagement von IMs zu konzentrieren. Der thermischen Analyse wurde in der Vergangenheit nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt, und Motorentwickler haben sich nur am Rande mit ihr befasst, basierend auf Konstruktionskenntnissen oder anderen Dimensionierungsvariablen wie Wicklungsstromdichte usw. Diese Methoden führen dazu, dass ein großer Sicherheitsfaktor angewendet wird, um mit der schlimmsten Erwärmung fertig zu werden Dies führt zu einer Überdimensionierung der Maschine und damit zu einer Erhöhung der Kosten.

Die thermische Analyse wird in zwei Typen eingeteilt: analytische konzentrierte Schaltkreise und numerische Ansätze. Der Hauptvorteil des analytischen Ansatzes liegt in der Fähigkeit, schnell und präzise zu berechnen. Es muss jedoch viel Arbeit aufgewendet werden, um einen Schaltkreis zu definieren, der genau genug ist, um die Wärmewege nachzubilden. Numerische Ansätze hingegen werden allgemein als Computational Fluid Dynamics (CFD) und Structural Thermal Analysis (STA) klassifiziert, die beide die Finite-Elemente-Analyse (FEA) nutzen. Die numerische Analyse hat den Vorteil, dass wir die Gerätegeometrie simulieren können. Allerdings kann es manchmal schwierig sein, das System einzurichten und die Rechenarbeit zu erledigen. Die im Folgenden besprochenen wissenschaftlichen Arbeiten sind ausgewählte Beispiele der thermischen und elektromagnetischen Analyse verschiedener moderner Induktionsmotoren. Diese Arbeiten inspirierten die Autoren zu Arbeiten über thermische Phänomene in Induktionsmaschinen und Methoden zu ihrer Kühlung.

Pil-Wan Han1 untersuchte die thermische und elektromagnetische Analyse eines IM. Für die thermische Analyse wurde die analytische Methode des konzentrierten Kreislaufs verwendet, während für die elektromagnetische Analyse die zeitlich veränderliche magnetische FEM verwendet wurde. Um den thermischen Überlastschutz in jeder Industrieanwendung ordnungsgemäß zu gewährleisten, ist es notwendig, die Statorwicklungstemperatur zuverlässig abzuschätzen. Ahmed et al.2 hatten ein thermisches Netzwerkmodell höherer Ordnung vorgestellt, das auf detaillierten wärmetechnischen und thermodynamischen Überlegungen basierte. Die Entwicklung der thermischen Modellmethode zur Verwendung in der Industrie für Wärmeschutzziele profitierte von der analytischen Lösung und den Überlegungen zu thermischen Parametern.

Nair et al.3 prognostizierten die Wärmeverteilung im Motor mithilfe einer gekoppelten analytischen und numerischen 3D-Wärmeanalyse eines IM mit einer Nennleistung von 39 kW. Ying et al.4 analysierten vollständig geschlossene, lüftergekühlte (TEFC) IM mithilfe einer 3D-Temperaturschätzung. Moon et al.5 untersuchten die Eigenschaften des thermischen Flusses eines TEFC-IM mithilfe von CFD. Todd et al.6 gaben ein transientes LPTN-Modell eines Elektromotors an. Die experimentellen Temperaturdaten wurden mit der berechneten Temperatur verwendet, die durch das vorgeschlagene LPTN-Modell erhalten wurde. Peter et al.7 untersuchten mithilfe von CFD den Luftstrom, der das Wärmemanagement einer elektrischen Maschine beeinflusst.

Cabral et al.8 stellten ein einfaches thermisches Modell des IM vor, bei dem die Temperaturen der Maschine durch Anwendung der Wärmediffusionsgleichung in einem Zylinder ermittelt wurden. Nategh et al.9 untersuchten mithilfe von CFD ein selbstbelüftetes Traktionsmotorsystem, um die Genauigkeit der Komponenten zur Optimierung zu untersuchen. Daher könnte die Modellierung der thermischen Analyse in einem Induktionsmotor mithilfe numerischer und experimenteller Untersuchungen in Betracht gezogen werden, siehe Abb. 2.

Thermische Analyse eines Elektromotors.

Yinye et al.10 schlugen einen Entwurf zur Verbesserung des Wärmemanagements mit den üblichen thermischen Eigenschaften der Standardmaterialien und mit den üblichen Verlustquellen in den Maschinenteilen vor. Marco et al.11 schlugen mithilfe von CFD- und LPTN-Modellen Entwurfskriterien für die Kühlsysteme und den Wassermantel für die Maschinenteile vor. Yaohui et al.12 lieferten verschiedene Richtlinien für die Auswahl geeigneter Kühlmethoden und die Bewertung der Leistung in den frühen Phasen des Entwurfs. Nell et al.13 präsentierten eine gekoppelte elektromagnetisch-thermische Simulation mithilfe von Modellen hinsichtlich ihres Wertebereichs, Detaillierungsgrades und Rechenaufwands für ein gegebenes multiphysikalisches Problem. Zhan et al.14 und Kim et al.15 untersuchten die Temperaturverteilung eines luftgekühlten asynchronen IM mit Hilfe einer 3D-FEM mit gekoppeltem Feld. Der Input wurde mithilfe einer 3D-Wirbelstromfeldanalyse berechnet, um den Joule-Verlust zu ermitteln und ihn für die thermische Analyse zu verwenden.

Michel et al.16 verglichen den herkömmlichen Radialventilator mit verschiedenen Axialventilatorkonstruktionen, indem sie Simulationen und Experimente an ihnen durchführten. Eines der Designs ermöglichte eine geringfügige deutliche Verbesserung des Motorwirkungsgrads bei gleichbleibenden Betriebstemperaturen.

Lu et al.17 verwendeten die Methode des äquivalenten Magnetkreises in Kombination mit dem Boglietti-Modell, um Eisenverluste in Induktionsmotorspindeln abzuschätzen. Die Autoren gingen davon aus, dass die Verteilung der magnetischen Flussdichte in jedem Querschnitt innerhalb eines Spindelmotors gleichmäßig ist. Sie verglichen ihre Methode mit den Ergebnissen der FEM-Analyse und des experimentellen Modells. Die Methode kann zur schnellen Analyse von IM verwendet werden, ihre Genauigkeit ist jedoch begrenzt.

In18 werden verschiedene Methoden der elektromagnetischen Feldanalyse in linearen Induktionsmotoren vorgestellt. Unter anderem werden eine Methode zur Leistungsverlustbewertung in der Reaktionsschiene und die Methode zur Vorhersage des Temperaturanstiegs von Traktions-Linear-Induktionsmotoren beschrieben. Mit diesen Methoden kann die Effizienz der Energieumwandlung in linearen Induktionsmotoren verbessert werden.

Zabdur et al.19 untersuchten die Leistung von Kühlmänteln mithilfe einer numerischen 3D-Methode. Der Kühlmantel nutzte Wasser als Hauptkühlmittelquelle für einen 3-Phasen-IM, wobei die zum Pumpen erforderliche Leistung und die maximale Temperatur von großer Bedeutung waren. Rippel et al.20 patentierten eine neue Methode des Flüssigkeitskühlsystems namens Transverse Lamination Cooling, bei der das Kühlmittel quer durch einen schmalen Bereich floss, der durch Öffnungen in jeder zweiten magnetischen Lamelle gebildet wurde. Deriszadeh et al.21 untersuchten experimentell die Kühlung von Traktionsmotoren im Automobilbereich mit einer Mischung aus Ethylenglykol und Wasser. Die Leistung bei verschiedenen Mischungen wird mithilfe von CFD und einer 3D-Analyse der turbulenten Flüssigkeitsbewegung bewertet. Boopathi et al.22 Untersuchungen mithilfe von Simulationen ergaben, dass der Temperaturbereich des wassergekühlten Motors (17–124 °C) deutlich kleiner war als der des luftgekühlten Motors (104–250 °C). Die höchste Temperatur des wassergekühlten Motors mit Aluminiumgehäuse wurde um 50,4 % gesenkt, während die höchste Temperatur des wassergekühlten Motors mit PA6GF30-Gehäuse um 48,4 % gesenkt wurde. Bezyukov et al.23 untersuchten die Auswirkung der Kesselsteinbildung auf die Wärmeleitfähigkeit an Motorwänden mit Flüssigkeitskühlsystemen. Untersuchungen ergaben, dass eine Zunderschicht von 1,5 mm Dicke die Wärmeübertragung um 30 % verringert, den Kraftstoffverbrauch erhöht und die Motorleistung verringert.

Tanguy et al.24 experimentierten an einem Elektromotor mit Schmieröl als Kühlmittel für unterschiedliche Durchflussraten, Öltemperaturen, Rotationsgeschwindigkeiten und Einspritzmuster. Es wurde eine starke Abhängigkeit zwischen den Durchflussraten und der globalen Kühlleistung festgestellt. Ha et al.25 schlugen eine Tropfdüse als Sprühdüse vor, um den Ölfilm gleichmäßig zu verteilen und so die Kühlleistung des Motors zu maximieren.

Nandy et al.26 analysierten die Wirkung von L-förmigen flachen Wärmerohren auf die Leistung und das Wärmemanagement eines Elektromotors. Teile des Wärmerohrverdampfers wurden im Motorgehäuse installiert oder in der Motorwelle vergraben, während Kondensatorteile durch zirkulierende Flüssigkeit oder Luft gekühlt wurden. Bellettre et al.27 untersuchten ein Fest-Flüssigkeit-PCM-Kühlsystem für einen Motorstator, der im Übergangszustand arbeitet. PCM imprägniert die Wickelköpfe und durch die Speicherung latenter Wärmeenergie wird die Hot-Spot-Temperatur gesenkt.

Daher werden die Leistung und das Wärmemanagement eines Elektromotors durch den Einsatz verschiedener Kühlstrategien abgeschätzt, siehe Abb. 3. Diese Kühlschemata dienen dazu, die Temperatur an Wicklungen, Blechen, Wickelköpfen, magnetischen Komponenten, Maschinenrahmen sowie an den zu steuern Endplatten.

Verschiedene Kühlstrategien zur Steigerung der thermischen Leistung.

Flüssigkeitskühlsysteme sind für ihre hohe Wirksamkeit hinsichtlich der Wärmeübertragungsfähigkeit bekannt. Allerdings wird viel Energie verbraucht, um das Kühlmittel um den Motor zu pumpen, wodurch die effektive Leistungsabgabe des Motors verringert wird. Andererseits ist ein Luftkühlungssystem aufgrund seiner geringen Kosten und der einfachen Nachrüstbarkeit eine weit verbreitete Methode. Im Vergleich zu einem Flüssigkeitskühlsystem bleibt seine Wirksamkeit jedoch gering. Es ist ein integrierter Ansatz erforderlich, der die hohe Wärmeübertragung des flüssigkeitsgekühlten Systems mit den niedrigen Kosten des luftgekühlten Systems kombinieren kann, ohne dass zusätzlicher Strom verbraucht werden muss.

In dieser Arbeit werden Wärmeverluste im IM aufgelistet und analysiert. Die Mechanik des Problems sowie die Erwärmung und Kühlung des Induktionsmotors werden in „Wärmeverluste bei Induktionsmotoren“ bis „Kühlstrategie“ erläutert. Die Kernwärmeverluste des Induktionsmotors werden in Wärme umgewandelt. Daher wird in diesem Artikel der Wärmeübertragungsmechanismus innerhalb des Motors durch Leitung und erzwungene Konvektion erörtert. Die thermische Simulation des IM anhand der Kontinuitätsgleichung, der Navier-Stokes-/Impulsgleichung und der Energiegleichung wird besprochen. Die Forscher führten eine analytische und numerische thermische Studie eines IM durch, um die Temperatur der Statorwicklungen ausschließlich mit der Absicht des Wärmemanagements des Elektromotors zu bewerten. In diesem Artikel werden hauptsächlich die thermische Analyse luftgekühlter IMs und die thermische Analyse integrierter luft- und wassergekühlter IMs unter Verwendung von CAD-Modellierung und ANSYS Fluent Simulations erörtert. Auch der thermische Vorteil des integrierten und verbesserten Modells bestehend aus luft- und wassergekühltem System wird eingehend analysiert. Wie bereits erwähnt, stellen die hier aufgeführten Arbeiten keine Zusammenfassung des Stands der Technik zu thermischen Phänomenen und der Kühlung von Induktionsmaschinen dar, sondern weisen auf eine Vielzahl von Problemen hin, die für den zuverlässigen Betrieb von Induktionsmaschinen gelöst werden müssen.

Die thermischen Verluste werden typischerweise in Kupferverluste, Eisenverluste und Reibungs-/mechanische Verluste eingeteilt.

Die Kupferverluste sind das Ergebnis der Joule'schen Erwärmung, die aufgrund des spezifischen Widerstands der Leiter auftritt, und können wie folgt quantifiziert werden10,28:

Dabei steht q̇g für die erzeugte Wärme, I und Ve für den Nennstrom bzw. die Nennspannung und Re für den Widerstand des Kupfers.

Die Eisenverluste, auch Streuverluste genannt, sind die zweithäufigste Verlustart, die in IMs zu Hysterese- und Wirbelstromverlusten führt, die hauptsächlich durch zeitlich veränderliche Magnetfelder verursacht werden. Diese werden durch die erweiterte Steinmetz-Gleichung quantifiziert, deren Koeffizienten je nach Betriebsbedingungen als Konstanten oder Variablen behandelt werden können10,28,29.

Dabei ist Khn der aus dem Kernverlustdiagramm abgeleitete Hystereseverlustkoeffizient, Ken der Wirbelstromverlustkoeffizient, N der harmonische Index und Bn und f die Spitzenflussdichte bzw. die Frequenz der nichtsinusförmigen Erregung. Die obige Gleichung kann wie folgt weiter vereinfacht werden10,29:

wobei K1 und K2 die Kernverlustkoeffizienten bzw. Wirbelstromverluste (qec), Hystereseverluste (qh) und übermäßige Verluste (qex) darstellen.

Luftwiderstands- und Reibungsverluste sind die beiden Hauptursachen für mechanische Verluste in einem IM. Die Luft- und Reibungsverluste werden mit 10 angegeben,

Dabei ist n die Drehzahl, Kfb der Reibungsverlustkoeffizient, D der Außendurchmesser des Rotors, l die Länge des Rotors und G das Gewicht des Rotors10.

Der Hauptmechanismus der Wärmeübertragung innerhalb des Motors erfolgt durch Leitung mit interner Wärmeerzeugung, die durch die im vorliegenden Fall anwendbare Poisson-Gleichung angegeben werden kann30:

Dabei sind qg und k die Wärmeerzeugung bzw. Wärmeleitfähigkeit des Feststoffs.

Während des Betriebs, nach einem bestimmten Zeitpunkt, wenn der Motor einen stabilen Zustand erreicht, kann die Wärmeerzeugung als konstante Oberflächenwärmeflusserwärmung angenähert werden. Daher kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei der Leitung innerhalb des Motors um eine Leitung mit innerer Wärmeentwicklung handelt.

Die Wärmeübertragung zwischen den Rippen und der Umgebungsatmosphäre wird als erzwungene Konvektion bezeichnet, bei der die Bewegung des Fluids mithilfe einer äußeren Kraft in eine bestimmte Richtung gezwungen wird. Konvektion kann ausgedrückt werden als30:

Dabei ist h der Wärmeübertragungskoeffizient (W/m2 K), A die Oberfläche und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche und dem Kühlmittel senkrecht zu dieser Oberfläche. Die Nusselt-Zahl (Nu), die ein Maß für das Verhältnis von konvektiver zu konduktiver Wärmeübertragung senkrecht zur Grenze ist, wird basierend auf den Eigenschaften laminarer und turbulenter Strömungen ausgewählt. Basierend auf der empirischen Methode korreliert die Nusselt-Zahl für turbulente Strömungen normalerweise mit der Reynolds-Zahl und der Prandtl-Zahl und wird ausgedrückt als30:

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 Impulsdiffusionsfähigkeit zu Wärmediffusionsfähigkeit (oder die relative Dicke der Geschwindigkeit und der thermischen Grenzschichten), die definiert ist als30:

Dabei sind k und cp die Wärmeleitfähigkeit bzw. die spezifische Wärme der Flüssigkeit. Im Allgemeinen sind Luft und Wasser die am häufigsten verwendeten Kühlmittel für elektrische Maschinen. Die Fluideigenschaften von Luft und Wasser bei Umgebungstemperatur sind in Tabelle 1 angegeben.

Um die erzwungene Konvektion über die Oberfläche der Rippen zu analysieren, wird die folgende Gleichung verwendet30:

Die thermische Simulation des IM basierte auf den folgenden Annahmen: dreidimensionaler stationärer Zustand, turbulente Strömung, Luft ist ein ideales Gas, vernachlässigbare Strahlung, Newtonsche Flüssigkeit, inkompressible Flüssigkeit, rutschfester Zustand und konstante Eigenschaften. Um die Erhaltungsprinzipien von Masse, Impuls und Energie im Flüssigkeitsbereich zu erfüllen, werden dementsprechend die folgenden Gleichungen verwendet.

Im Allgemeinen ist die Massenerhaltungsgleichung gleich der Nettoflussrate der Masse in das Fluidelement, die durch31 bestimmt wird:

wobei V ein Geschwindigkeitsvektor ist. Bei stationärer Strömung gilt Gl. (10) könnte wie folgt geändert werden:

Gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz ist die Impulsänderungsrate eines Flüssigkeitsteilchens gleich der Summe der auf es einwirkenden Kräfte. Die allgemeine Impulserhaltungsgleichung kann in Vektorform als31 geschrieben werden:

Die Terme ∇p, ∇∙τij und ρg in der obigen Gleichung repräsentieren jeweils den Druck, die Viskosität und die Gravitationskraft. Die Kühlmedien (Luft, Wasser, Öl usw.), die in Maschinen als Kühlmittel verwendet werden, weisen normalerweise ein Newtonsches Verhalten auf. Die hier gezeigte Gleichung befasst sich ausschließlich mit der linearen Beziehung zwischen den Scherspannungen und dem Geschwindigkeitsgradienten (Dehnungsrate) senkrecht zur Scherrichtung. Unter Berücksichtigung konstanter Viskosität und stetiger Strömung gilt Gl. (12) kann in31 geändert werden:

Die Energieänderungsrate eines Fluidteilchens ist gemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gleich der Summe der Nettowärmerate, die dem Fluidteilchen zugeführt wird, und der Nettoarbeitsrate, die auf das Fluidteilchen verrichtet wird. Für eine Newtonsche kompressible viskose Strömung kann die Energieerhaltungsgleichung wie folgt ausgedrückt werden31:

wobei Cp die Wärmekapazität bei konstantem Druck ist, bezieht sich der Term ∇ ∙ (k∇T) auf die Wärmeleitung durch die Grenzen des Fluidelements, wobei k die Wärmeleitfähigkeit darstellt. Die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme wird durch den Begriff \(\varnothing\) (d. h. viskose Dissipationsfunktion) betrachtet und ist gegeben durch31:

Dabei ist \(\rho\) die Flüssigkeitsdichte, \(\mu\) die Flüssigkeitsviskosität, u, v und w die jeweiligen x-, y- und z-Richtungspotentiale der Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Der Begriff beschreibt die Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie, die vernachlässigt werden kann, da sie nur dann von Bedeutung ist, wenn die Flüssigkeitsviskosität sehr hoch ist und wenn der Geschwindigkeitsgradient der Flüssigkeitsbewegungen sehr groß ist. Bei stetiger Strömung, konstanter spezifischer Wärme und Wärmeleitfähigkeit ändert sich die Energiegleichung wie folgt:

Diese maßgeblichen Gleichungen werden für laminare Strömung in kartesischen Koordinaten gelöst. Allerdings kommt es beim Betrieb elektrischer Maschinen, wie bei vielen anderen technischen Problemen auch, hauptsächlich zu turbulenten Strömungen. Folglich werden diese Gleichungen modifiziert, um den Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)-Ansatz für die Turbulenzmodellierung zu bilden.

In der vorliegenden Arbeit wurde die ANSYS Fluent 2021-Software identifiziert, die für die CFD-Simulationen mit geeigneten Randbedingungen verwendet werden soll, wie zum Beispiel das betrachtete Modell: 100 kW luftgekühlter Induktionsmotor; Rotordurchmesser: 80,80 mm; Statordurchmesser: 83,56 mm (innen) und 190 mm (außen); Luftspalt: 1,38 mm; Gesamtlänge: 234 mm; Anzahl der Flossen: 30; Dicke der Lamellen: 3 mm.

Darüber hinaus wurde das SolidWorks-Modell des luftgekühlten Motors in die ANSYS Fluent-Software importiert und Simulationen durchgeführt. Darüber hinaus erfolgte eine Validierung der erhaltenen Ergebnisse, um die Genauigkeit der durchgeführten Simulationen sicherzustellen. Außerdem wird das integrierte luft- und wassergekühlte IM mit der Software SolidWorks 2017 und Simulationen mit der Software ANSYS Fluent 2021 modelliert (Abb. 4).

In dieser Forschung angewandte Methodik.

Das Design und die Abmessungen des Modells sind von der Siemens-Aluminiumserie 1LA9 inspiriert und wurden in SolidWorks 2017 modelliert. Das Modell wurde leicht modifiziert, um den Anforderungen der Simulationssoftware gerecht zu werden. Das CAD-Modell wird durch Entfernen unnötiger Teile geändert, Verrundungen, Fasen usw. werden während der Simulation durch ANSYS Workbench 2021 entfernt.

Die Innovation im Design ist der Wassermantel, dessen Länge nach den Ergebnissen der Simulation des ersten Modells festgelegt wird. Bei der Modellierung des Wassermantels wurden mehrere Änderungen vorgenommen, um mit den Engstellen im ANSYS bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Die verschiedenen Teile des IM sind in Abb. 5a – f dargestellt.

(A). Rotorkern und Welle des IM. (b) Statorkern des IM. (c) Statorwicklungen des IM. (d) Äußerer Rahmen des IM. (e) Wassermantel des IM. (f) Modell eines integrierten luft- und wassergekühlten IM.

Der auf der Welle montierte Ventilator sorgt für eine konstante Luftströmungsgeschwindigkeit von 10 m/s und eine Temperatur von 30 °C über der Lamellenoberfläche. Der Geschwindigkeitswert wird zufällig ausgewählt, abhängig von der Kapazität des in dieser Arbeit analysierten IM, die im Vergleich zu der in der Literatur angegebenen Kapazität größer ist9. Zu den Wärmeerzeugungsbereichen gehören Rotor, Stator, Statorwicklung und Rotorkäfigstab. Als Material für Stator und Rotor kommt Stahl in Betracht; für Wicklungen und Käfigstab ist Kupfer; und für den Rahmen und die Flosse ist Aluminium. Die in diesen Bereichen erzeugte Wärme ist auf elektromagnetische Phänomene wie die Joulesche Erwärmung zurückzuführen, bei der externer Strom durch die Kupferspulen fließt, und auf Änderungen im Magnetfeld. Die Wärmeerzeugungsraten für verschiedene Teile wurden auf der Grundlage verschiedener verfügbarer Literatur zu einem 100-kW-IM ermittelt.

Das integrierte luft- und wassergekühlte IM umfasst zusätzlich zu den oben genannten Bedingungen auch einen Wassermantel, in dem verschiedene Wasserdurchflussraten, nämlich 5 LPM, 10 LPM und 15 LPM, auf ihre Wärmeübertragungsfähigkeiten und Pumpleistungsanforderungen analysiert wurden. Da sich die Ergebnisse nicht wesentlich änderten, wenn die Durchflussrate unter 5 LPM lag, wurde dieses Ventil als Minimum ausgewählt. Darüber hinaus wurde als Maximum eine Fördermenge von 15 LPM gewählt, da die Pumpleistung trotz weiterhin sinkender Temperaturen spürbar zunahm.

Die verschiedenen Modelle des IM wurden in ANSYS Fluent importiert und mit ANSYS Design Modeler weiter bearbeitet. Um den IM herum wird außerdem ein kastenförmiges Gehäuse mit den Abmessungen 0,3 × 0,3 × 0,5 m konstruiert, um den Luftstrom um den Motor herum zu analysieren und die Wärmeableitung in die Atmosphäre zu untersuchen. Eine ähnliche Analyse wird für den integrierten luftgekühlten und wassergekühlten IM durchgeführt.

Das IM-Modell wird mittels CFD mit numerischer FEM-Technik simuliert. Bei CFD wird ein Netz erstellt, um die Domäne in eine bestimmte Anzahl von Komponenten zu unterteilen, für die Lösungen gefunden werden können. Das Tetraedernetz mit entsprechender Elementgröße wird in der gesamten komplexen Geometrie von Motorkomponenten verwendet. An allen Schnittstellen wird eine 10-schichtige Aufblasung verwendet, um genaue Ergebnisse der Wärmeübertragung an dieser Oberfläche zu erhalten. Die vernetzte Geometrie beider IM-Modelle ist in Abb. 6a, b dargestellt.

(a) Maschenstruktur des luftgekühlten IM. (b) Maschenstruktur des luft- und wassergekühlten IM.

Die Energiegleichung ermöglicht die Untersuchung der Wärmeübertragung über verschiedene Bereiche des Motors. Für die Modellierung der turbulenten Strömung um die Außenfläche wird das Turbulenzmodell K-epsilon mit Standardwandfunktion ausgewählt. Dieses Modell löst nach kinetischer Energie (Ek) und turbulenter Dissipation (Epsilon). Kupfer, Aluminium, Stahl, Luft und Wasser werden mit ihren Standardeigenschaften für den Einsatz in den jeweiligen Bereichen ausgewählt. Die Wärmeerzeugungsraten (siehe Tabelle 2) werden als Eingabe angegeben und verschiedene Zellenzonenbedingungen werden eingestellt15,17,28,32. Die Luftgeschwindigkeit über dem Motorgehäuse ist für beide Motormodelle auf 10 m/s eingestellt und zusätzlich werden für die Wassermäntel auch drei verschiedene Wasserdurchflussraten (5 LPM, 10 LPM und 15 LPM) berücksichtigt. Das Residuum für alle Gleichungen wird zur besseren Genauigkeit auf 1 × 10–6 festgelegt. Zur Lösung der Navier-Strokes-Gleichung (NS) wird der SIMPLE-Algorithmus (semiimplizite Methode für druckverknüpfte Gleichungen) gewählt. Nach Abschluss der Hybridinitialisierung wird das Setup für 500 Iterationen ausgeführt, wie in Abb. 7 dargestellt.

Numerische Simulationsergebnisse des Motormodells, durchgeführt für 500 Iterationen.

Ein luftgekühlter 100-kW-Motor mit großer Kapazität und ein verbessertes Modell eines integrierten luft- und wassergekühlten IM wurden mit der Software SolidWorks 2017 modelliert und mit der Software ANSYS Fluent weiter numerisch simuliert. Die Wärmeerzeugungsraten wurden durch eine umfassende Untersuchung der verfügbaren wissenschaftlichen Literatur zu einem 100-kW-IM ermittelt. Auf dieser Grundlage wurden die Wärmeerzeugungsraten finalisiert und einheitlich auf beide Motormodelle angewendet. Bei beiden Modellen wurde eine gleichmäßige Luftströmungsgeschwindigkeit von 10 m/s angewendet. Zusätzlich wurden für das integrierte luft- und wassergekühlte Modell drei verschiedene Flüssigkeitsdurchflussraten angewendet, nämlich 5 LPM, 10 LPM und 15 LPM. Beide Modelle wurden jeweils auf ihre thermische Leistung basierend auf der Temperaturverteilung untersucht und verglichen. Zusätzlich wurde für das integrierte luft- und wassergekühlte Modell auch die Pumpleistung berechnet, die zum Pumpen des Wassers im Kühlmantel erforderlich ist.

Der Temperaturverlauf entlang des IM-Querschnitts wurde mit Hilfe der Temperaturkontur visualisiert (Abb. 8). Es wurde beobachtet, dass bei der vorgesehenen Wärmeerzeugungsrate die höchste Temperatur an der Rotoroberfläche auftritt. Es konnte festgestellt werden, dass es zu einem gleichmäßigen Temperaturabfall kommt, wenn man sich in der radialen Richtung, Rotor-Stator-Außenfläche, nach außen bewegt (Abb. 9). Dies war eine häufige Beobachtung in einem Großteil der untersuchten Literatur zu Motoren mit ähnlicher Leistung, bei denen die höchste Temperatur im Rotorbereich festgestellt wurde. Die höchste in dieser Studie gemessene Temperatur lag im Rotor bei 438 K (165 °C), während für den Stator die höchste Temperatur bei 392 K (119 °C) beobachtet wurde. Die durchschnittliche Temperatur des Rotors beträgt 435 K (162 °C), während sie für den Stator mit 380 K (107 °C) berechnet wurde. Der quantitative Vergleich ist in Tabelle 3 dargestellt.

Temperaturkontur, die die Variation über den Querschnitt des Motors darstellt.

Temperaturschwankungen in einem luftgekühlten Motor.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es anschließend zu einem Temperaturanstieg entlang der Oberfläche des Motorgehäuses kommt, wenn man sich vom Standort des Kühlgebläses entfernt (Abb. 10). Dies ist zu erwarten, da sich die Luft erwärmt, wenn sie sich entlang der Motoroberfläche bewegt. Wenn die Temperatur der Luft steigt, verringert sich ihre Fähigkeit, Wärme an die Umgebung zu übertragen, da der Temperaturunterschied zwischen der Luft und dem Motorgehäuse abnimmt. Es wird beobachtet, dass die Temperatur der Rippe in der Nähe des Lufteinlasses eine durchschnittliche Temperatur von 297 K (23,85 °C) aufweist. Wenn die Luft weiter über die Rippenoberfläche strömt, erwärmt sie sich und die maximale Temperatur von 350 K (77 °C) wird auf der rechten Seite des Motorgehäuses beobachtet, die vom Lufteintrittspunkt entfernt ist. Dies deutet auf einen Temperaturanstieg von 17,84 % zwischen beiden Enden des Gehäuses hin. Darüber hinaus ist auch ein sprunghafter Temperaturanstieg von 320 auf 350 K in dem Bereich zu beobachten, in dem sich die Statorwicklung befindet (Abb. 9).

Temperaturschwankung entlang der Rippenoberfläche in axialer Richtung des Motorinneren.

Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung hängt vom Temperaturunterschied zwischen der Luft und der äußeren Rippenoberfläche ab. Wenn die Luft über die Rippenoberfläche strömt, erwärmt sie sich und dadurch verringert sich der Temperaturunterschied. Diese verringerte Wärmeübertragungsrate und die von den Wicklungen abgegebene Wärme sind für den steilen Temperaturanstieg zur Endoberfläche hin verantwortlich.

Die Luftgeschwindigkeit verringert sich von der Anfangsgeschwindigkeit von 10 m/s auf etwa 1,8 m/s, wenn sie die andere Seite der Motoroberfläche erreicht (Abb. 12). Es ist zu beobachten, dass die Geschwindigkeit der Druckluft innerhalb der ersten 10–12 mm sehr schnell abnimmt und dann allmählich abnimmt, wenn wir uns vom Ventilator entfernen. Die Geschwindigkeit kann direkt mit der Wärmeübertragungsfähigkeit der Luft in Zusammenhang gebracht werden, da die Reynolds-Zahl direkt mit der Geschwindigkeit variiert. Da die Verringerung der Reynolds-Zahl dazu führt, dass die Luft weniger turbulent ist, verringert sich ihr Einfluss auf die Wärmeübertragung von der Motoroberfläche, was zu einem Temperaturanstieg führt. Dieses Ergebnis wird durch Gl. (9), wobei die Nusselt-Zahl umgekehrt proportional zur Reynolds-Zahl ist.

Dargestellt ist die Druckschwankung entlang der Motoroberfläche, siehe Abb. 11. Die Art des Diagramms ähnelt der Temperaturschwankung entlang der Rippenoberfläche in axialer Richtung, siehe Abb. 9. Die Durchschnittswerte der Geschwindigkeits- und Druckschwankungen in Die axiale Richtung entlang des Motorgehäuses ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Analyse zeigt, dass der Luftdruck im Durchschnitt um 0,48 ansteigt, während die Luftgeschwindigkeit im Durchschnitt um 0,24 abnimmt. Dieses Diagramm folgt dem Gay-Lussac-Gesetz, wonach Temperatur und Druck direkt proportional sind, sofern andere Parameter konstant gehalten werden. Da der Luftdruck von der Temperatur der Rippenoberfläche und der konvektiven Wärmeübertragungsrate abhängt, nimmt der Druck entlang der Länge des IM stetig ab. Der Druck ist um den Eintrittsbereich der Luft minimal und steigt ähnlich wie die Temperatur auf einen Maximalwert zum Austritt der Luft über der Motoroberfläche hin an, der 28,37 % über dem Druck im Eintrittsbereich liegt.

Geschwindigkeits- und Druckschwankung in axialer Richtung entlang des Motorgehäuses.

Die Temperatur des Stators und Rotors wird mithilfe einer numerischen 3D-Analyse durch rechnerische elektromagnetisch-thermisch gekoppelte luftgekühlte Modellierung auf einem 100-kW-IM ermittelt, um die Leistung zu analysieren. Die Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Wirksamkeit der Luftspaltventilatoren bei der Kühlung der Motorteile wie Rotor, Wicklung, Stator und Rahmen zu analysieren32. Diese Ergebnisse wurden mit den Ergebnissen dieser Studie verglichen und eine prozentuale relative Abweichung berechnet, um die Genauigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu überprüfen. Es wurde beobachtet, dass bei der Rotortemperatur eine maximale Abweichung von 10,73 % festgestellt wurde. Da die erzielten Ergebnisse bei etwa der 10 %-Grenze lagen, ist es daher thermisch validiert (Tabelle 4).

Die thermische Analyse des integrierten luft- und wassergekühlten IM wurde mit den gleichen Wärmeerzeugungsraten wie beim herkömmlichen luftgekühlten IM durchgeführt. Das integrierte Modell besteht zusätzlich aus einem Wassermantel und einer Pumpe. Als Kühlflüssigkeit wurde Wasser verwendet und drei verschiedene Wasserdurchflussraten, nämlich 5 LPM, 10 LPM und 15 LPM, wurden berücksichtigt. Der Strömungsweg bestand aus einem Einlass und einem Auslass mit einem einzigen Durchgang. Die Pumpleistung für alle drei Durchflussraten wurde anhand des Druckabfalls vom Einlass zum Auslass berechnet. Der Druckabfall wurde mit der Förderleistung (in m3/s) multipliziert und weiter durch den Pumpenwirkungsgrad dividiert, der mit 90 % angenommen wurde. Eine Erhöhung der Durchflussrate erhöht den Wärmeübertragungskoeffizienten und verbessert so die Wärmeübertragungsrate vom Motor. Die für alle drei Durchflussraten erhaltenen Diagramme waren ähnlich und stiegen linear an, wenn man sich von der Lufteinlassseite entfernte. Allerdings waren die erreichten Maximaltemperaturen für die drei verschiedenen Durchflussraten unterschiedlich.

Bei einer Durchflussrate von 5 l/min steigt die Temperatur entlang der Rippe linear an, was dem Wert eines luftgekühlten Motors ähnelt (Abb. 12). Die beobachtete Höchsttemperatur betrug jedoch 340 K und war damit 10 K niedriger (350 K) als beim luftgekühlten Motor. Dies war eine Reduzierung der Maximaltemperatur um 2,94 %, die mit einem zusätzlichen Leistungsbedarf von 2,7 W erreicht wurde, der zum Antrieb des Wassers um den Wassermantel aufgewendet wurde.

Temperaturschwankung entlang der Rippe für die Kühlmitteldurchflussraten 5 LPM, 10 LPM und 15 LPM.

Bei einer Durchflussrate von 10 l/min steigt die Temperatur entlang der Rippe linear an, ähnlich wie beim luftgekühlten Motor (Abb. 12). Im Vergleich zur Durchflussrate von 5 l/min war die maximale Temperatur in diesem Fall jedoch etwas niedriger (335 K) im Vergleich zu 340 K für 5 l/min. Im Vergleich zu einem luftgekühlten IM wurde die maximale Temperatur von 350 auf 335 K gesenkt, was einer Reduzierung um 4,47 % entspricht. Dies ging mit einer zusätzlichen Pumpleistung von 5,2 W einher.

Bei der Untersuchung verschiedener verfügbarer wissenschaftlicher Literatur zur Wärmeübertragung mittels erzwungener Konvektion wurde häufig beobachtet, dass mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit auch die Wärmeübertragung zunimmt, sofern im Ruhezustand alle Parameter konstant gehalten werden. Eine ähnliche Beobachtung zeigte, dass bei 15 LPM, was auch die höchste berücksichtigte Durchflussrate ist, die maximale Temperatur die niedrigste aller berücksichtigten Modelle ist (326 K) (Abb. 12). Im Vergleich zum luftgekühlten Motor ergab sich eine Reduzierung um 7,36 %. Die dafür erforderliche Pumpleistung ist mit 8,1 W auch die höchste. Die gestrichelten Linien stellen die durchschnittliche Änderungsrate der Temperaturen entlang der Rippe des Gehäuses in axialer Richtung für verschiedene Wasserdurchflussraten dar. Untersuchungen ergaben, dass die durchschnittliche Temperaturanstiegsrate bei einem Wasserdurchfluss von 5 l/min 0,5, bei einem Wasserdurchfluss von 10 l/min 0,4 und bei einem Wasserdurchfluss von 15 l/min 0,3 beträgt. Dies zeigt deutlich, dass die Temperaturanstiegsrate mit zunehmender Wasserdurchflussrate abnimmt.

Untersuchungen ergaben, dass die maximale Temperatur, die die Motoroberfläche erreichte, deutlich abnahm. Diese Ergebnisse entsprachen den Erwartungen der Literaturrecherche, da in der gesamten Literatur zu flüssigkeitsgekühlten Systemen die gemeinsame Schlussfolgerung vertreten wurde, dass sich die Wärmeübertragungseigenschaften durch eine Erhöhung der Durchflussrate verbesserten. Die maximale Temperatur verringerte sich von 340 K bei einer Durchflussrate von 5 LPM auf 326 K bei einer Durchflussrate von 15 LPM (Abb. 13).

Pumpleistung, maximale Temperatur und prozentualer Rückgang der maximalen Temperatur als Funktion der Durchflussrate.

Es ist auch eine häufige Beobachtung, dass bei einer Erhöhung der Durchflussrate auch die Pumpleistung zunimmt, was in Abb. 13 deutlich zu sehen ist. Man erhält einen nahezu linearen Graphen, da die Durchflussrate proportional erhöht wird und alle anderen Parameter konstant bleiben.

Die durchschnittlichen axialen Temperaturänderungen sind mit den gestrichelten Linien dargestellt. Aber die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls bei der Wasserkühlung ist im Vergleich zur Luftkühlung phänomenal, insbesondere an der Stelle, die am weitesten vom Lüfter entfernt ist. Untersuchungen zeigen, dass in den ersten 100 mm Entfernung vom Lüfter alle Kühlschemata ähnlich zu sein scheinen. Für die nächsten 100 mm Distanz scheint Luftkühlung besser zu sein als der integrierte Ansatz (Abb. 14). Der Grund dafür könnte eine ungleichmäßige Temperatur im Motor axial vom Lüfter sein. Dagegen ist die Unwirksamkeit der Luftkühlung aufgrund der Temperatur am Statorkopfende im letzten Abschnitt des Motors sichtbar. Dies ist im Hinblick auf die Sicherheit und Langlebigkeit des Motors überhaupt nicht wünschenswert. Der Vorteil des integrierten Verfahrens besteht jedoch darin, dass die Temperatur gleichmäßig ansteigt, was für den sicheren Betrieb des Motors wünschenswert ist.

Temperaturvariation axial mit luftgekühltem IM und integriertem luft- und wassergekühltem IM.

Der prozentuale Rückgang der Maximaltemperatur im Vergleich zum herkömmlichen luftgekühlten IM bei Erhöhung der Durchflussrate. Es wurde ein teilweise linearer Aufwärtstrend mit einem prozentualen Rückgang von 7,69 % bei einer Durchflussrate von 15 LPM beobachtet. Die Trends der Wirksamkeit der Kühlung mit einem luftgekühlten IM und einem integrierten luft- und wassergekühlten IM bestätigen den Nutzen dieser Forschung (Abb. 13). Der Vergleich zwischen luftgekühltem IM und integriertem luft- und wassergekühltem IM zeigt deutlich die maximale Temperaturreduzierung für verschiedene Kühlmitteldurchflussraten (Tabelle 5).

Die vorgestellte Arbeit hat das Modell eines luftgekühlten IM mit 100 kW und ein verbessertes Wärmemanagementmodell desselben IM erfolgreich numerisch untersucht, wobei eine Kombination aus Luftkühlung und einem integrierten Wasserkühlungssystem verwendet wurde, um eine signifikante Verbesserung zu erzielen in der Kühlintensität des Motors. ANSYS Fluent Version 2021 wurde verwendet, um das integrierte luft- und wassergekühlte Modell, modelliert in SolidWorks 2017, numerisch zu untersuchen, indem die Wärmeerzeugungsraten mithilfe der Finite-Elemente-Methode angegeben wurden. Die Ergebnisse werden mit dem luftgekühlten Modell mit ähnlichen Eingabeparametern verglichen. Das luftgekühlte Modell wird mit den extern verfügbaren veröffentlichten Daten in der Literatur validiert. Die durch das Kühlgebläse induzierte Luftgeschwindigkeit wurde auf 10 m/s eingestellt. Der Pumpleistungsbedarf für die Wasserdurchflussraten 5 LPM, 10 LPM und 15 LPM wurde ebenfalls berechnet. Die wichtigsten in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass bei einer Durchflussrate von 5 LPM die maximale Temperatur eines integrierten luft- und wassergekühlten IM im Vergleich zum luftgekühlten IM um 2,94 % gesenkt wurde. Ebenso gab es einen Rückgang der Maximaltemperatur um 4,79 % bei einer Durchflussrate von 10 l/min und eine Reduzierung um 7,69 % bei einer Durchflussrate von 15 l/min. Obwohl die Pumpleistung mit zunehmender Durchflussrate zunahm, konnte durch die Senkung der Maximaltemperatur die Lebensdauer der Maschine gesichert werden.

Zukünftiger Gegenstand dieser Studie werden Traktionsinduktionsmotoren mit Wasserkühlung sein, die eine hohe Heizleistungsdichte im Rotor aufweisen. Daher ist für solche Hochleistungsmotoren ein effektiveres Rotorkühlsystem erforderlich. Beispielsweise ist bei den Induktionsmotoren von Tesla und Audi der Rotor permanent flüssigkeitsgekühlt. Darüber hinaus gibt es Probleme mit der Erwärmung der Motorlager, was zu einer Verkürzung ihrer Lebensdauer führt, was unser nächstes Ziel wäre. Zweitens wäre es für die Konstrukteure von Traktionsmaschinen interessanter, einen Artikel über ein neues Gehäusematerial für einen echten wassergekühlten Traktionsmotor mit hoher Leistungsdichte und einem Kühlsystem zu lesen, das den in der Praxis verwendeten Systemen ähnelt. Vielleicht könnte dies auch in unserer zukünftigen Arbeit umgesetzt werden. Außerdem werden sich unsere zukünftigen Arbeiten auf das Motorgehäuse und den Kühlmantel konzentrieren, wobei der Schwerpunkt auf der Reduzierung der thermischen Effekte, dem Kontaktwiderstand und neuen Materialien mit verbesserter thermischer Leistung liegt. und optimierte Kanalgeometrien; und Design zur Reduzierung der Druckabfallverluste, nanofluidbasierte Kühlsysteme; und Erhöhung der Wärmeübertragung auf den Konvektionsoberflächen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Computergestützte Fluiddynamik

Liter pro Minute

Induktionsmotor

Wärmenetzwerk mit konzentrierten Parametern

Schaltungsmethode mit konzentrierten Parametern

Finite-Elemente-Analyse

Finite-Elemente-Methode

Hitzeübertragungskoeffizient

Widerstandstemperaturfühler

Völlig geschlossen, lüftergekühlt

Phasenwechselmaterial

Han, PW, Choi, JH, Kim, DJ, Chun, YD & Bang, DJ Thermische Analyse von Hochgeschwindigkeits-IM unter Verwendung von Lumped-Circuit-Parametern. J. Elektr. Ing. Technol. 10(5), 2040–2045 (2015).

Artikel Google Scholar

Ahmed, F. & Kar, NC Analyse der thermischen Effekte am Wicklungskopf eines vollständig geschlossenen, lüftergekühlten Induktionsmotors mit einem Rotor aus Kupferdruckguss. IEEE Trans. Ind. Appl. 53(3), 3098–3109. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2648780 (2017).

Artikel Google Scholar

Nair, DG, Jokinen, T. & Arkkio, A. Gekoppelte analytische und numerische 3D-Thermoanalyse eines TEFC IM. In 18. International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS) 103–108 (IEEE, 2015).

Xie, Y. & Wang, Y. 3D-Temperaturfeldanalyse der IMs mit gebrochenem Balkenfehler. Appl. Therm. Ing. 66(1–2), 25–34 (2014).

Artikel Google Scholar

Moon, SH, Jung, YH und Kim, KW Numerische Untersuchung der thermischen Strömungseigenschaften eines vollständig geschlossenen, lüftergekühlten IM. Im Jahr 2016 XXII. Internationale Konferenz über elektrische Maschinen (ICEM) 1928–1933 (IEEE, 2016).

Jankowski, TA et al. Entwicklung und Validierung eines thermischen Modells für elektrische IMs. IEEE Trans. Ind. Elektron. 57(12), 4043–4054 (2010).

Artikel Google Scholar

Connor, PH et al. Computergestützte Fluiddynamikmodellierung eines gesamten Synchrongenerators für ein verbessertes Wärmemanagement. IET Elektr. Leistungsanwendung 7(3), 231–236 (2013).

Artikel Google Scholar

Cabral, P. & Adouni, A. Thermische Analyse von Induktionsmotoren basierend auf einem thermischen Netzwerk mit konzentrierten Parametern. KnE Eng. 5(6), 451–464. https://doi.org/10.18502/keg.v5i6.7061 (2020).

Artikel Google Scholar

Boglietti, A., Nategh, S., Carpaneto, E., Boscaglia, L. und Scema, C. Eine Optimierungsmethode für die Kühlsystemkonstruktion von Traktionsmotoren. Im Jahr 2019 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC) 1210–1215 (IEEE, 2019).

Yang, Y. et al. Wärmemanagement elektrischer Maschinen. IET Elektr. Syst. Transport. 7(2), 104–116 (2016).

Artikel Google Scholar

Satrústegui, M. et al. Entwurfskriterien für wassergekühlte Systeme von Induktionsmaschinen. Appl. Therm. Ing. 5(114), 1018–1028 (2017).

Artikel Google Scholar

Gai, Y. et al. Kühlung von Fahrzeugfahrmotoren: Schemata, Beispiele und Berechnungsmethoden. IEEE Trans. Ind. Elektron. 66(3), 1681–1692 (2018).

Artikel Google Scholar

Nell, M., Kubin, A. & Hameyer, K. Ansatz zur Modell- und Parameterauswahl für die Berechnung von Induktionsmaschinen. Energies 14, 5623. https://doi.org/10.3390/en14185623 (2021).

Artikel Google Scholar

Zhang, Y. et al. Berechnung des Temperaturanstiegs in luftgekühlten Induktionsmotoren durch 3D-gekoppelte elektromagnetische, strömungsdynamische und thermische Finite-Elemente-Analyse. IEEE Trans. Magn. 48(2), 1047–1050 (2012).

Artikel ADS Google Scholar

Kim, C., Lee, KS & Yook, SJ Wirkung von Luftspaltventilatoren auf die Kühlung von Wicklungen in einem Hochgeschwindigkeits-IM mit großer Kapazität. Appl. Therm. Ing. 5(100), 658–667 (2016).

Artikel Google Scholar

Roffi, M., Ferreira, FJ und De Almeida, AT Vergleich verschiedener Kühlgebläsekonstruktionen für Elektromotoren. Im Jahr 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC) 1–7 (IEEE, 2017).

Lü, L., Xiong, W. & Hu, C. Äquivalente Magnetkreismethode zur Schätzung von Eisenverlusten in Induktionsmotorspindeln. Wissenschaft. Rep. 12, 9509. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13055-x (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Palka, R. & Woronowicz, K. Lineare Induktionsmotoren in Transportsystemen. Energies 14, 2549. https://doi.org/10.3390/en14092549 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Rehman, Z. & Seong, K. Dreidimensionale numerische Thermoanalyse eines Elektromotors mit Kühlmantel. Energies 11(1), 92 (2018).

Artikel Google Scholar

Rippel, WE, & Rippel, EE, Erfinder; Prippell Technologies LLC, Rechtsnachfolger. Induktionsmotor mit flüssigkeitsgekühltem Querrotor und Stator. US-Patent US 9.985.500 (2018).

Deriszadeh, A., de Monte, F., Villani, M. und Di Leonardo, L. Hydrothermale Leistung einer Mischung aus Ethylenglykol und Wasser in einem Spiralkanal zur Kühlung von Elektromotoren. Im Jahr 2019 21. Europäische Konferenz für Leistungselektronik und Anwendungen (EPE'19 ECCE Europe) 1–10 (IEEE, 2019).

Boopathi, NG et al. Modellierung und Simulation von Elektromotoren unter Verwendung von Leichtbaumaterialien. Energies 15, 5183. https://doi.org/10.3390/en15145183 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Bezyukov, OK, Zhukov, VA & Zhukova, OV Wirksamkeit von Flüssigkeitskühlsystemen in Motoren und Produktionsanlagen. Russ. Ing. Res. 28(11), 1055–1057 (2008).

Artikel Google Scholar

Davin, T., Pellé, J., Harmand, S. & Yu, R. Experimentelle Untersuchung von Ölkühlsystemen für Elektromotoren. Appl. Therm. Ing. 22(75), 1–3 (2015).

Artikel Google Scholar

Ha, T. & Kim, DK Untersuchung der Einspritzmethode zur Maximierung der Ölkühlleistung von Elektrofahrzeugmotoren mit Haarnadelwicklung. Energien 14, 747. https://doi.org/10.3390/en14030747 (2021).

Artikel Google Scholar

Putra, N. & Ariantara, B. Wärmemanagementsystem für Elektromotoren mit L-förmigen flachen Wärmerohren. Appl. Therm. Ing. 5(126), 1156–1163 (2017).

Artikel Google Scholar

Bellettre, J., Sartre, V., Biais, F. & Lallemand, A. Untersuchung des Übergangszustands der Erwärmung von Elektromotoren und der Phasenwechsel-Fest-Flüssigkeits-Kühlung. Appl. Therm. Ing. 17(1), 17–31 (1997).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, C. & Lee, KS Thermisches Nexus-Modell für die Analyse der thermischen Eigenschaften eines offenen luftgekühlten IM. Appl. Therm. Ing. 5(112), 1108–1116 (2017).

Artikel Google Scholar

Lü, L., Xiong, W. & Hu, C. Äquivalente Magnetkreismethode zur Schätzung von Eisenverlusten in Induktionsmotorspindeln. Wissenschaft. Rep. 12(1), 9509. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13055-x (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Huang, JA et al. Ein integriertes Kühlsystem für Hybrid-Elektrofahrzeugmotoren: Design und Simulation. SAE Int. J. Nutzfahrzeug. 11(2018-01–1108), 255–266 (2018).

Artikel Google Scholar

Deriszadeh, A. & de Monte, F. Zur Wärmeübertragungsleistung von Kühlsystemen mit Nanofluid für Elektromotoranwendungen. Entropy 22(1), 99. https://doi.org/10.3390/e22010099 (2020).

Artikel ADS MathSciNet CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, C., Lee, KS & Yook, SJ Wirkung von Luftspaltventilatoren auf die Kühlung von Wicklungen in einem Hochgeschwindigkeits-IM mit großer Kapazität. Appl. Therm. Ing. 5(100), 658–667 (2016).

Artikel Google Scholar

Huang, J. et al. Ein Kühlsystem für den Motor eines Hybrid-Elektrofahrzeugs – Design, Modell und Steuerung. IEEE Trans. Fahrzeug. Technol. 68(5), 4467–4478 (2019).

Artikel Google Scholar

Gundabattini, E. et al. Ein Überblick über Methoden zur Verlusterkennung und Kühlmethoden zur Steigerung der Effizienz elektrischer Maschinen. Ain Shams Eng. J. 12, 497–505 (2021).

Artikel Google Scholar

Gundabattini, E., Mystkowski, A., Idzkowski, A., Raja Singh, R. & Solomon, DG Wärmekartierung eines Hochgeschwindigkeits-Elektromotors für Traktionsanwendungen und Analyse verschiedener Kühlmethoden – eine Übersicht. Energien 14, 1472 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Gundabattini, E., Mystkowski, A., Raja Singh, R. & Gnanaraj, SD Wasserkühlung, PSG, PCM, kryogene Kühlstrategien und thermische Analyse (experimentell und analytisch) eines Permanentmagnet-Synchronmotors: Ein Überblick. Sādhanā 46, 3 (2021).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken dem Management des Vellore Institute of Technology, Indien, und der Fakultät für Elektrotechnik der Technischen Universität Bialystok, Polen, für ihre anhaltende Unterstützung. Diese Forschung wird teilweise durch das Projekt Nr. WZ/WE-IA/4/2023 der Technischen Universität Bialystok unterstützt, das aus einem Zuschuss des Ministeriums für Wissenschaft und Hochschulbildung finanziert wird.

School of Mechanical Engineering, Vellore Institute of Technology (VIT), Vellore, Tamil Nadu, 632 014, Indien

Sameer Madhavan & Raunak Devdatta PB

SQL-Datenbankverwaltung, Infosys Technologies Limited, Gachi Bowli, Hyderabad, Telangana, 500032, Indien

Yashwanth Reddy Konda

Abteilung für Wärme- und Energietechnik, Fakultät für Maschinenbau, Vellore Institute of Technology (VIT), Vellore, Tamil Nadu, 632 014, Indien

Edison Gundabattini

Abteilung für automatische Steuerung und Robotik, Fakultät für Elektrotechnik, Technische Universität Bialystok, Wiejska 45D, 15-351, Bialystok, Polen

Arkadiusz Mystkowski

Fakultät für Elektrotechnik, Westpommersche Technische Universität in Stettin, Sikorskiego 37, 70-313, Stettin, Polen

Ryszard Palka & Marcin Wardach

Fakultät für Mechatronik und Elektrotechnik, Maritime Universität Stettin, Waly Chrobrego 1-2, 70-500, Stettin, Polen

Pawel Prajzendanc

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Konzeptualisierung, SM, RD, EG und AM; Methodik SM, RD, RP und MW; Validierung, EG und AM; formale Analyse, SM, RD, YRK und EG; Untersuchung, SM, RD, EG und AM; Ressourcen, EG und AM; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, SM, RD und EG; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, EG, YRK, AM, RP, MW und PP; Visualisierung, AM; Aufsicht, EG; Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Edison Gundabattini, Arkadiusz Mystkowski oder Marcin Wardach.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Madhavan, S., Devdatta PB, R., Konda, YR et al. Wärmemanagementanalysen von Induktionsmotoren durch die Kombination von Luftkühlung und einem integrierten Wasserkühlsystem. Sci Rep 13, 10125 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36989-2

Zitat herunterladen

Eingegangen: 20. März 2023

Angenommen: 14. Juni 2023

Veröffentlicht: 22. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36989-2

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.