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エンジンの運転コストと寿命を考慮すると、適切なエンジンの熱管理戦略が非常に重要です。この記事では、耐久性を高め、効率を向上させるための誘導モーターの熱管理戦略を開発しました。さらに、エンジンの冷却方法に関する文献の広範なレビューが行われました。主な結果として、熱分布のよく知られた問題を考慮した、高出力空冷非同期モーターの熱計算が行われます。さらに、この研究では、現在のニーズを満たすために 2 つ以上の冷却戦略を使用した統合アプローチを提案しています。100 kW 空冷非同期モーターのモデルと、同じモーターの改良された熱管理モデルの数値研究が行われました。このモデルでは、空冷と統合水冷システムの組み合わせによってモーター効率の大幅な向上が達成されています。実施した。SolidWorks 2017 および ANSYS Fluent 2021 バージョンを使用して、統合された空冷および水冷システムを研究しました。3 つの異なる水流 (5 L/分、10 L/分、15 L/分) が従来の空冷誘導モーターに対して分析され、利用可能な公開リソースを使用して検証されました。分析の結果、異なる流量 (それぞれ 5 L/分、10 L/分、15 L/分) で、対応する 2.94%、4.79%、および 7.69% の温度低下が得られたことが示されています。したがって、この結果は、組み込み誘導電動機が空冷誘導電動機と比較して効果的に温度を下げることができることを示しています。
電気モーターは、現代工学科学の重要な発明の 1 つです。電気モーターは、家電製品から自動車産業や航空宇宙産業を含む車両に至るまで、あらゆるものに使用されています。近年、高い始動トルク、優れた速度制御、適度な過負荷容量により、誘導電動機（AM）の人気が高まっています（図1）。誘導モーターは電球を光らせるだけでなく、歯ブラシからテスラまで、家のほとんどの機器に電力を供給します。IM の機械エネルギーは、固定子巻線と回転子巻線の磁界の接触によって生成されます。さらに、希土類金属の供給が限られているため、IM は実行可能な選択肢です。ただし、AD の主な欠点は、その寿命と効率が温度に非常に敏感であることです。誘導モーターは世界の電力の約 40% を消費しており、これらの機械の電力消費を管理することが重要であると考える必要があります。
アレニウスの方程式によれば、動作温度が 10°C 上昇するごとに、エンジン全体の寿命が半分になります。したがって、機械の信頼性を確保し、生産性を高めるためには、血圧の熱制御に注意を払う必要があります。これまで、熱解析は無視され、モーター設計者は、設計経験や巻線電流密度などの他の寸法変数に基づいて、問題を周辺部のみで検討してきました。これらのアプローチは、最悪の場合に大きな安全マージンを適用することにつながります。ケースの加熱条件が異なり、機械のサイズが大きくなり、コストが増加します。
熱解析には集中回路解析と数値解析の 2 種類があります。分析手法の主な利点は、計算を迅速かつ正確に実行できることです。ただし、熱経路をシミュレートするのに十分な精度で回路を定義するには、かなりの努力が必要です。一方、数値解析手法は数値流体力学（CFD）と構造熱解析（STA）に大別され、いずれも有限要素解析（FEA）を利用します。数値解析の利点は、デバイスの形状をモデル化できることです。ただし、システムのセットアップと計算が難しい場合があります。以下で説明する科学論文は、さまざまな最新の誘導モーターの熱および電磁解析の厳選された例です。これらの論文をきっかけに、著者らは非同期モーターの熱現象とその冷却方法を研究するようになりました。
Pil-Wan Han1 は、MI の熱および電磁解析に従事していました。熱解析には集中回路解析法が、電磁解析には時変磁気有限要素法が使用されます。あらゆる産業用途で熱過負荷保護を適切に提供するには、固定子巻線の温度を確実に推定する必要があります。Ahmed et al.2 は、深層熱および熱力学的考察に基づいた高次の熱ネットワーク モデルを提案しました。産業用熱保護を目的とした熱モデリング手法の開発には、分析ソリューションと熱パラメーターの考慮が役立ちます。
Nair ら 3 は、39 kW IM と 3D 数値熱解析を組み合わせた解析を使用して、電気機械内の熱分布を予測しました。Ying et al.4 は、3D 温度推定を使用してファン冷却完全密閉 (TEFC) IM を分析しました。ムーンら。5 は、CFD を使用して IM TEFC の熱流特性を研究しました。LPTN モーター遷移モデルは Todd らによって与えられました6。実験温度データは、提案された LPTN モデルから導出された計算温度とともに使用されます。Peter et al.7 は、CFD を使用して、電気モーターの熱挙動に影響を与える空気の流れを研究しました。
Cabral ら 8 は、シリンダの熱拡散方程式を適用することによって機械温度が得られる単純な IM 熱モデルを提案しました。Nategh ら 9 は、CFD を使用して自己換気型トラクション モーター システムを研究し、最適化されたコンポーネントの精度をテストしました。したがって、数値研究と実験研究を使用して、誘導モーターの熱解析をシミュレートできます (図を参照)。2.
yingye et al.10 は、標準材料の共通の熱特性と機械部品の損失の共通の原因を利用することにより、熱管理を改善する設計を提案しました。Marco et al.11 は、CFD モデルと LPTN モデルを使用して、機械コンポーネントの冷却システムとウォーター ジャケットを設計するための基準を提示しました。Yaohui et al.12 は、適切な冷却方法を選択し、設計プロセスの初期段階で性能を評価するためのさまざまなガイドラインを提供しています。Nell et al.13 は、マルチフィジックス問題の特定の範囲の値、詳細レベル、および計算能力に対して電磁熱結合シミュレーションのモデルを使用することを提案しました。Jean et al.14 と Kim et al.15 は、3D 結合 FEM 場を使用して空冷誘導モーターの温度分布を研究しました。3D 渦電流場解析を使用して入力データを計算し、ジュール損失を見つけて熱解析に使用します。
Michel ら 16 は、シミュレーションと実験を通じて、従来の遠心冷却ファンとさまざまな設計の軸流ファンを比較しました。これらの設計の 1 つは、同じ動作温度を維持しながら、エンジン効率の小さいながらも大幅な改善を達成しました。
Lu et al.17 は、等価磁気回路法を Boglietti モデルと組み合わせて使用し、誘導電動機のシャフトの鉄損を推定しました。著者らは、スピンドルモータ内部のどの断面でも磁束密度の分布は均一であると仮定しています。彼らは、自分たちの方法を有限要素解析および実験モデルの結果と比較しました。この方法は MI の高速分析に使用できますが、精度には限界があります。
図１８は、リニア誘導モータの電磁界を解析するための様々な方法を示している。その中で、無効レールの電力損失を推定する方法と、主用リニア誘導電動機の温度上昇を予測する方法について説明します。これらの方法は、リニア誘導モーターのエネルギー変換効率を向上させるために使用できます。
ザブドゥルら。19は、三次元数値手法を用いて冷却ジャケットの性能を調査した。冷却ジャケットは、三相 IM の主な冷却源として水を使用します。これは、ポンピングに必要な電力と最高温度にとって重要です。リッペルら。20人は、横積層冷却と呼ばれる液体冷却システムへの新しいアプローチで特許を取得した。このアプローチでは、冷媒が互いの磁気積層の穴によって形成された狭い領域を横に流れる。Deriszade et al.21 人は、エチレングリコールと水の混合物を使用した自動車産業のトラクションモーターの冷却を実験的に研究しました。CFD および 3D 乱流流体解析を使用して、さまざまな混合物のパフォーマンスを評価します。Boopathi らによるシミュレーション研究 22 では、水冷エンジンの温度範囲 (17 ～ 124°C) が空冷エンジン (104 ～ 250°C) よりも大幅に小さいことが示されました。アルミ水冷モーターの最高温度を50.4%低減、PA6GF30水冷モーターの最高温度を48.4%低減しました。Bezukov ら 23 は、液体冷却システムを使用したエンジン壁の熱伝導率に対するスケール形成の影響を評価しました。研究によると、厚さ 1.5 mm の酸化膜により熱伝達が 30% 減少し、燃料消費量が増加し、エンジン出力が低下することがわかっています。
Tanguy et al.24 は、冷却剤として潤滑油を使用し、電気モーターのさまざまな流量、油温、回転速度、噴射モードで実験を実施しました。流量と全体的な冷却効率の間には強い関係が確立されています。Ha et al.25 は、油膜を均一に分布させてエンジンの冷却効率を最大化するためのノズルとしてドリップノズルを使用することを提案しました。
Nandi et al.26 は、L 字型フラット ヒート パイプがエンジンの性能と熱管理に及ぼす影響を分析しました。ヒートパイプ蒸発部はモーターケーシング内またはモーターシャフトに埋設され、凝縮部は液体または空気を循環させることで冷却されます。ベレットルら。27 は、過渡モータ固定子用の PCM 固液冷却システムを研究しました。PCM は巻線ヘッドに含浸し、潜熱エネルギーを蓄えることでホット スポットの温度を下げます。
したがって、モーターの性能と温度はさまざまな冷却戦略を使用して評価されます (図を参照)。3. これらの冷却回路は、巻線、プレート、巻線ヘッド、磁石、カーカス、エンド プレートの温度を制御するように設計されています。
液体冷却システムは、効率的な熱伝達で知られています。ただし、エンジンの周囲に冷却剤を送り込むと大量のエネルギーが消費され、エンジンの実効出力が低下します。一方、空冷システムは、低コストでアップグレードが容易なため、広く使用されている方式です。ただし、それでも液体冷却システムよりも効率は劣ります。追加のエネルギーを消費することなく、液冷システムの高い熱伝達性能と空冷システムの低コストを組み合わせることができる、統合されたアプローチが必要です。
この記事では、AD における熱損失をリストし、分析します。この問題のメカニズムと誘導電動機の加熱と冷却については、「誘導電動機の熱損失」セクションで冷却戦略を通じて説明されています。誘導電動機のコアの熱損失は熱に変換されます。したがって、この記事では、伝導と強制対流によるエンジン内部の熱伝達のメカニズムについて説明します。連続方程式、ナビエ・ストークス/運動量方程式およびエネルギー方程式を使用したIMの熱モデリングが報告されています。研究者らは、電気モーターの熱レジームを制御するという唯一の目的で、固定子巻線の温度を推定するために、IM の解析的および数値的熱研究を実行しました。この記事では、空冷 IM の熱解析と、CAD モデリングと ANSYS Fluent シミュレーションを使用した空冷および水冷統合型 IM の熱解析に焦点を当てます。そして、空冷システムと水冷システムの統合改良モデルの熱的利点が深く分析されています。前述したように、ここに挙げた文書は、誘導電動機の熱現象と冷却の分野における最先端技術の概要をまとめたものではありませんが、誘導電動機の信頼性の高い動作を確保するために解決する必要がある多くの問題を示しています。 。
熱損失は通常、銅損、鉄損、摩擦・機械損に分けられます。
銅損は導体の抵抗率によるジュール加熱の結果であり、10.28 として定量化できます。
ここで、q̇g は発生する熱、I と Ve はそれぞれ公称電流と電圧、Re は銅抵抗です。
寄生損失としても知られる鉄損は、AM におけるヒステリシス損失と渦電流損失を引き起こす 2 番目の主要な損失タイプで、主に時間変化する磁場によって引き起こされます。それらは拡張スタインメッツ方程式によって定量化され、その係数は動作条件に応じて定数または変数と見なすことができます10、28、29。
ここで、Khn はコア損失図から導出されたヒステリシス損失係数、Ken は渦電流損失係数、N は高調波指数、Bn と f はそれぞれ非正弦波励起のピーク磁束密度と周波数です。上の方程式は次のようにさらに簡略化できます10,29:
このうち、K1、K2は鉄損係数、それぞれ渦電流損(qec)、ヒステリシス損(qh)、超過損失(qex)です。
風荷重と摩擦損失は、IM における機械損失の 2 つの主な原因です。風力損失と摩擦損失は 10、
式中、ｎは回転速度、Ｋｆｂは摩擦損失係数、Ｄはロータの外径、ｌはロータの長さ、Ｇはロータ１０の重量である。
エンジン内の熱伝達の主なメカニズムは、この例に適用されたポアソン方程式 30 によって決定されるように、伝導と内部加熱によるものです。
動作中、モーターが定常状態に達したある時点の後、発生する熱は、表面熱流束の一定の加熱によって近似できます。したがって、エンジン内部の伝導は内部熱の放出によって行われていると考えられます。
フィンと周囲の大気との間の熱伝達は、流体が外力によって特定の方向に強制的に移動するときの強制対流と考えられます。対流は 30 で表すことができます。
ここで、h は熱伝達係数 (W/m2 K)、A は表面積、ΔT は熱伝達面とその面に垂直な冷媒との温度差です。ヌッセルト数 (Nu) は、境界に垂直な対流熱伝達と伝導熱伝達の比の尺度であり、層流と乱流の特性に基づいて選択されます。経験的方法によれば、乱流のヌッセルト数は通常、レイノルズ数とプラントル数に関連付けられており、30 で表されます。
ここで、h は対流熱伝達係数 (W/m2 K)、l は代表的な長さ、λ は流体の熱伝導率 (W/m K)、プラントル数 (Pr) は対流熱伝達率の比の尺度です。熱拡散率（または熱境界層の速度と相対厚さ）に対する運動量拡散係数。30 として定義されます。
ここで、k と cp はそれぞれ液体の熱伝導率と比熱容量です。一般に、電気モーターの最も一般的な冷却剤は空気と水です。周囲温度での空気と水の液体特性を表 1 に示します。
IM 熱モデリングは、次の仮定に基づいています: 3D 定常状態、乱流、空気は理想気体、無視できる放射線、ニュートン流体、非圧縮性流体、滑りのない状態、および一定の特性。したがって、液体領域の質量、運動量、エネルギーの保存則を満たすために次の方程式が使用されます。
一般的な場合、質量保存方程式は、セルに液体が流入する正味質量流量に等しく、次の式で決定されます。
ニュートンの第 2 法則によれば、液体粒子の運動量の変化率はそれに作用する力の合計に等しく、一般的な運動量保存方程式は次のようにベクトル形式で記述できます。
上式の∇p、∇∙τij、ρg という項は、それぞれ圧力、粘度、重力を表します。機械の冷却剤として使用される冷却媒体 (空気、水、油など) は、一般にニュートン性であると考えられています。ここに示されている方程式には、せん断応力とせん断方向に垂直な速度勾配 (ひずみ速度) との間の線形関係のみが含まれています。一定の粘度と定常流を考慮すると、式 (12) は次のように変更できます。
熱力学の第 1 法則によれば、液体粒子のエネルギー変化率は、液体粒子によって生成される正味の熱と液体粒子によって生成される正味の電力の合計に等しくなります。ニュートン圧縮性粘性流の場合、エネルギー保存方程式は次のように表すことができます 31:
ここで、Cp は定圧での熱容量、項 ∇ ∙ (k∇T) は液体セル境界を通る熱伝導率に関係します。ここで、k は熱伝導率を示します。機械エネルギーの熱への変換は \(\varnothing\) (つまり、粘性散逸関数) の観点から考慮され、次のように定義されます。
ここで、\(\rho\) は液体の密度、\(\mu\) は液体の粘度、u、v、w はそれぞれ液体速度の x、y、z 方向のポテンシャルです。この用語は機械エネルギーの熱エネルギーへの変換を表しますが、流体の粘度が非常に高く、流体の速度勾配が非常に大きい場合にのみ重要となるため、無視できます。定常流、比熱および熱伝導率が一定の場合、エネルギー方程式は次のように修正されます。
これらの基本方程式は、デカルト座標系の層流について解かれます。ただし、他の多くの技術的問題と同様、電気機械の動作には主に乱流が関係しています。したがって、これらの方程式は、乱流モデリング用のレイノルズ ナビエ ストークス (RANS) 平均法を形成するように修正されます。
この作業では、対応する境界条件を備えた CFD モデリング用の ANSYS FLUENT 2021 プログラムが選択されました。考慮されたモデルは次のとおりです。容量 100 kW、ローターの直径 80.80 mm、空冷式の非同期エンジンステータの長さは 83.56 mm (内側) と 190 mm (外側)、エアギャップは 1.38 mm、全長は 234 mm、リブの量、厚さは 3 mm です。。
次に、SolidWorks 空冷エンジン モデルが ANSYS Fluent にインポートされ、シミュレーションされます。さらに、実行されたシミュレーションの精度を保証するために、得られた結果がチェックされます。さらに、統合された空冷および水冷 IM は、SolidWorks 2017 ソフトウェアを使用してモデル化され、ANSYS Fluent 2021 ソフトウェアを使用してシミュレーションされました (図 4)。
このモデルの設計と寸法は、Siemens 1LA9 アルミニウム シリーズからインスピレーションを受けており、SolidWorks 2017 でモデル化されています。このモデルは、シミュレーション ソフトウェアのニーズに合わせてわずかに変更されています。ANSYS Workbench 2021 でモデリングするときに、不要な部品を削除したり、フィレット、面取りなどを削除したりして、CAD モデルを変更します。
設計上の革新はウォーター ジャケットで、その長さは最初のモデルのシミュレーション結果から決定されました。ANSYS でウエストを使用するときに最良の結果が得られるように、ウォーター ジャケット シミュレーションにいくつかの変更が加えられました。IM のさまざまな部分を図に示します。5a～f。
(A)。ローターコアとIMシャフト。(b) IM ステータコア。(c) IM 固定子巻線。(d) MI の外部フレーム。(e) IMウォータージャケット。f) 空冷IMモデルと水冷IMモデルの組み合わせ。
シャフトに取り付けられたファンは、10 m/s の一定の空気流とフィンの表面の温度 30 °C を提供します。速度の値は、この記事で分析された血圧の能力に応じてランダムに選択されますが、この値は文献で示されている値よりも大きくなります。ホット ゾーンには、ローター、ステーター、ステーター巻線、ローター ケージ バーが含まれます。ステーターとローターの材質はスチール、巻線とケージロッドは銅、フレームとリブはアルミニウムです。これらの領域で発生する熱は、銅コイルに外部電流が流れるときのジュール加熱などの電磁現象や磁場の変化によって発生します。さまざまなコンポーネントの熱発生率は、100 kW IM について入手可能なさまざまな文献から取得されました。
一体化された空冷式および水冷式 IM には、上記の条件に加えて、ウォーター ジャケットも含まれており、さまざまな水流量 (5 リットル/分、10 リットル/分) に対する熱伝達能力とポンプ動力要件が分析されました。および15リットル/分）。5 L/min 未満の流量では結果が大きく変わらなかったため、このバルブが最小バルブとして選択されました。さらに、温度が低下し続けたにもかかわらずポンプ出力が大幅に増加したため、流量 15 L/min が最大値として選択されました。
さまざまな IM モデルが ANSYS Fluent にインポートされ、ANSYS Design Modeler を使用してさらに編集されました。さらに、AD の周囲に 0.3 × 0.3 × 0.5 m の箱型のケーシングを構築し、エンジン周囲の空気の動きを解析し、大気中への熱の除去を検討しました。統合された空冷式および水冷式の IM についても同様の分析が実行されました。
IM モデルは、CFD および FEM 数値手法を使用してモデル化されます。CFD ではメッシュが構築され、ソリューションを見つけるためにドメインを特定の数のコンポーネントに分割します。適切な要素サイズを持つ四面体メッシュは、エンジン コンポーネントの一般的な複雑なジオメトリに使用されます。正確な表面熱伝達結果を得るために、すべての界面が 10 層で充填されました。2 つの MI モデルのグリッド ジオメトリを図 に示します。6a、b。
エネルギー方程式を使用すると、エンジンのさまざまな領域での熱伝達を調べることができます。外面周囲の乱流をモデル化するために、標準的な壁関数を備えた K-イプシロン乱流モデルが選択されました。モデルでは、運動エネルギー (Ek) と乱流散逸 (イプシロン) が考慮されます。銅、アルミニウム、鋼、空気、水は、それぞれの用途で使用できる標準特性に基づいて選択されています。熱放散率 (表 2 を参照) が入力として与えられ、さまざまなバッテリー ゾーン条件が 15、17、28、32 に設定されます。モーター ケース上の空気速度は、両方のモーター モデルで 10 m/s に設定されました。さらに、ウォーター ジャケットでは 3 つの異なる水量 (5 リットル/分、10 リットル/分、15 リットル/分) が考慮されました。精度を高めるために、すべての方程式の残差は 1 × 10–6 に設定されました。Navier Prime (NS) 方程式を解くには、SIMPLE (圧力方程式の半陰的解法) アルゴリズムを選択します。ハイブリッド初期化が完了すると、図 7 に示すように、セットアップは 500 回の反復を実行します。
投稿日時: 2023 年 7 月 24 日