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Debido a los costos operativos y la longevidad del motor, una estrategia adecuada de gestión térmica del motor es extremadamente importante.Este artículo ha desarrollado una estrategia de gestión térmica para motores de inducción para proporcionar una mayor durabilidad y mejorar la eficiencia.Además, se realizó una revisión extensa de la literatura sobre métodos de enfriamiento de motores.Como resultado principal se da un cálculo térmico de un motor asíncrono refrigerado por aire de alta potencia, teniendo en cuenta el conocido problema de distribución de calor.Además, este estudio propone un enfoque integrado con dos o más estrategias de enfriamiento para satisfacer las necesidades actuales.Se ha realizado un estudio numérico de un modelo de motor asíncrono refrigerado por aire de 100 kW y un modelo mejorado de gestión térmica del mismo motor, donde se consigue un aumento significativo de la eficiencia del motor mediante una combinación de refrigeración por aire y un sistema integrado de refrigeración por agua. llevado a cabo.Se estudió un sistema integrado enfriado por aire y enfriado por agua utilizando las versiones SolidWorks 2017 y ANSYS Fluent 2021.Se analizaron tres flujos de agua diferentes (5 l/min, 10 l/min y 15 l/min) frente a motores de inducción enfriados por aire convencionales y se verificaron utilizando los recursos publicados disponibles.El análisis muestra que para diferentes caudales (5 L/min, 10 L/min y 15 L/min respectivamente) obtuvimos reducciones de temperatura correspondientes de 2,94 %, 4,79 % y 7,69 %.Por lo tanto, los resultados muestran que el motor de inducción integrado puede reducir efectivamente la temperatura en comparación con el motor de inducción enfriado por aire.
El motor eléctrico es uno de los inventos clave de la ciencia de la ingeniería moderna.Los motores eléctricos se utilizan en todo, desde electrodomésticos hasta vehículos, incluidas las industrias automotriz y aeroespacial.En los últimos años, la popularidad de los motores de inducción (AM) ha aumentado debido a su alto par de arranque, buen control de velocidad y moderada capacidad de sobrecarga (Fig. 1).Los motores de inducción no solo hacen brillar las bombillas, sino que alimentan la mayoría de los dispositivos de su hogar, desde su cepillo de dientes hasta su Tesla.La energía mecánica en IM es creada por el contacto del campo magnético de los devanados del estator y del rotor.Además, IM es una opción viable debido al suministro limitado de metales de tierras raras.Sin embargo, la principal desventaja de los AD es que su vida útil y eficiencia son muy sensibles a la temperatura.Los motores de inducción consumen alrededor del 40% de la electricidad mundial, lo que debería llevarnos a pensar que la gestión del consumo eléctrico de estas máquinas es fundamental.
La ecuación de Arrhenius establece que por cada 10 °C de aumento en la temperatura de funcionamiento, la vida útil de todo el motor se reduce a la mitad.Por lo tanto, para garantizar la confiabilidad y aumentar la productividad de la máquina, es necesario prestar atención al control térmico de la presión arterial.En el pasado, se ha descuidado el análisis térmico y los diseñadores de motores han considerado el problema solo en la periferia, basándose en la experiencia de diseño u otras variables dimensionales como la densidad de corriente del devanado, etc. Estos enfoques conducen a la aplicación de grandes márgenes de seguridad para los peores condiciones de calentamiento de la caja, lo que resulta en un aumento en el tamaño de la máquina y por lo tanto un aumento en el costo.
Hay dos tipos de análisis térmico: análisis de circuito concentrado y métodos numéricos.La principal ventaja de los métodos analíticos es la capacidad de realizar cálculos de forma rápida y precisa.Sin embargo, se debe hacer un esfuerzo considerable para definir circuitos con suficiente precisión para simular caminos térmicos.Por otro lado, los métodos numéricos se dividen aproximadamente en dinámica de fluidos computacional (CFD) y análisis térmico estructural (STA), los cuales utilizan el análisis de elementos finitos (FEA).La ventaja del análisis numérico es que le permite modelar la geometría del dispositivo.Sin embargo, la configuración y los cálculos del sistema a veces pueden ser difíciles.Los artículos científicos discutidos a continuación son ejemplos seleccionados de análisis térmico y electromagnético de varios motores de inducción modernos.Estos artículos impulsaron a los autores a estudiar fenómenos térmicos en motores asíncronos y métodos para su enfriamiento.
Pil-Wan Han1 se dedicó al análisis térmico y electromagnético de MI.El método de análisis de circuitos agrupados se utiliza para el análisis térmico, y el método de elementos finitos magnéticos variables en el tiempo se utiliza para el análisis electromagnético.Para brindar una protección adecuada contra sobrecargas térmicas en cualquier aplicación industrial, la temperatura del devanado del estator debe estimarse de manera confiable.Ahmed et al.2 propusieron un modelo de red de calor de orden superior basado en consideraciones térmicas y termodinámicas profundas.El desarrollo de métodos de modelado térmico para fines de protección térmica industrial se beneficia de las soluciones analíticas y la consideración de los parámetros térmicos.
Nair et al.3 utilizaron un análisis combinado de un IM de 39 kW y un análisis térmico numérico 3D para predecir la distribución térmica en una máquina eléctrica.Ying et al.4 analizaron los IM completamente cerrados enfriados por ventilador (TEFC) con estimación de temperatura 3D.Luna et al.5 estudió las propiedades de flujo de calor de IM TEFC usando CFD.El modelo de transición motora LPTN fue dado por Todd et al.6.Los datos de temperatura experimental se utilizan junto con las temperaturas calculadas derivadas del modelo LPTN propuesto.Peter et al.7 utilizaron CFD para estudiar el flujo de aire que afecta el comportamiento térmico de los motores eléctricos.
Cabral et al8 propusieron un modelo térmico IM simple en el que la temperatura de la máquina se obtiene aplicando la ecuación de difusión de calor del cilindro.Nategh et al.9 estudiaron un sistema de motor de tracción autoventilado usando CFD para probar la precisión de los componentes optimizados.Por lo tanto, los estudios numéricos y experimentales pueden usarse para simular el análisis térmico de motores de inducción, ver fig.2.
Yinye et al.10 propusieron un diseño para mejorar la gestión térmica al explotar las propiedades térmicas comunes de los materiales estándar y las fuentes comunes de pérdida de piezas de la máquina.Marco et al.11 presentaron criterios para diseñar sistemas de enfriamiento y camisas de agua para componentes de máquinas usando modelos CFD y LPTN.Yaohui et al.12 brindan varias pautas para seleccionar un método de enfriamiento apropiado y evaluar el rendimiento al principio del proceso de diseño.Nell et al.13 propusieron utilizar modelos de simulación electromagnética-térmica acoplada para un rango de valores, nivel de detalle y potencia computacional dados para un problema multifísico.Jean et al.14 y Kim et al.15 estudiaron la distribución de temperatura de un motor de inducción enfriado por aire utilizando un campo FEM acoplado en 3D.Calcule los datos de entrada utilizando el análisis de campo de corrientes de Foucault 3D para encontrar las pérdidas de Joule y utilizarlas para el análisis térmico.
Michel et al.16 compararon ventiladores centrífugos convencionales con ventiladores axiales de varios diseños a través de simulaciones y experimentos.Uno de estos diseños logró mejoras pequeñas pero significativas en la eficiencia del motor manteniendo la misma temperatura de funcionamiento.
Lu et al.17 utilizaron el método del circuito magnético equivalente en combinación con el modelo de Boglietti para estimar las pérdidas de hierro en el eje de un motor de inducción.Los autores suponen que la distribución de la densidad de flujo magnético en cualquier sección transversal dentro del motor de husillo es uniforme.Compararon su método con los resultados del análisis de elementos finitos y modelos experimentales.Este método se puede utilizar para el análisis rápido de MI, pero su precisión es limitada.
18 presenta varios métodos para analizar el campo electromagnético de motores de inducción lineales.Entre ellos, se describen métodos para estimar pérdidas de potencia en rieles reactivos y métodos para predecir el aumento de temperatura de motores de inducción lineales de tracción.Estos métodos se pueden utilizar para mejorar la eficiencia de conversión de energía de los motores de inducción lineales.
Zabdur et al.19 investigó el desempeño de las camisas de enfriamiento utilizando un método numérico tridimensional.La camisa de enfriamiento utiliza agua como fuente principal de refrigerante para el IM trifásico, lo cual es importante para la potencia y las temperaturas máximas requeridas para el bombeo.Rippel et al.20 han patentado un nuevo enfoque para los sistemas de refrigeración por líquido llamado refrigeración laminada transversal, en el que el refrigerante fluye transversalmente a través de regiones estrechas formadas por agujeros en la laminación magnética entre sí.Deriszade et al.21 investigaron experimentalmente el enfriamiento de motores de tracción en la industria automotriz utilizando una mezcla de etilenglicol y agua.Evalúe el rendimiento de varias mezclas con CFD y análisis de fluidos turbulentos en 3D.Un estudio de simulación realizado por Boopathi et al.22 mostró que el rango de temperatura de los motores refrigerados por agua (17-124 °C) es significativamente menor que el de los motores refrigerados por aire (104-250 °C).La temperatura máxima del motor refrigerado por agua de aluminio se reduce en un 50,4 %, y la temperatura máxima del motor refrigerado por agua PA6GF30 se reduce en un 48,4 %.Bezukov et al.23 evaluaron el efecto de la formación de incrustaciones en la conductividad térmica de la pared del motor con un sistema de refrigeración líquida.Los estudios han demostrado que una película de óxido de 1,5 mm de espesor reduce la transferencia de calor en un 30 %, aumenta el consumo de combustible y reduce la potencia del motor.
Tanguy et al.24 realizaron experimentos con varios caudales, temperaturas de aceite, velocidades de rotación y modos de inyección para motores eléctricos que utilizan aceite lubricante como refrigerante.Se ha establecido una fuerte relación entre el caudal y la eficiencia general de enfriamiento.Ha et al.25 sugirieron usar boquillas de goteo como boquillas para distribuir uniformemente la película de aceite y maximizar la eficiencia de enfriamiento del motor.
Nandi et al.26 analizaron el efecto de los tubos de calor planos en forma de L sobre el rendimiento del motor y la gestión térmica.La parte del evaporador del tubo de calor se instala en la carcasa del motor o se entierra en el eje del motor, y la parte del condensador se instala y se enfría mediante la circulación de líquido o aire.Bellettre et al.27 estudió un sistema de refrigeración sólido-líquido PCM para un estator de motor transitorio.El PCM impregna los cabezales de bobinado, lo que reduce la temperatura del punto caliente mediante el almacenamiento de energía térmica latente.
Por lo tanto, el rendimiento del motor y la temperatura se evalúan utilizando diferentes estrategias de enfriamiento, consulte la fig.3. Estos circuitos de refrigeración están diseñados para controlar la temperatura de bobinados, placas, cabezas de bobinado, imanes, carcasa y placas de extremo.
Los sistemas de refrigeración líquida son conocidos por su eficiente transferencia de calor.Sin embargo, bombear refrigerante alrededor del motor consume mucha energía, lo que reduce la potencia de salida efectiva del motor.Los sistemas de enfriamiento por aire, por otro lado, son un método ampliamente utilizado debido a su bajo costo y facilidad de actualización.Sin embargo, sigue siendo menos eficiente que los sistemas de refrigeración líquida.Se necesita un enfoque integrado que pueda combinar el alto rendimiento de transferencia de calor de un sistema enfriado por líquido con el bajo costo de un sistema enfriado por aire sin consumir energía adicional.
Este artículo enumera y analiza las pérdidas de calor en AD.El mecanismo de este problema, así como el calentamiento y enfriamiento de los motores de inducción, se explica en la sección Pérdida de calor en motores de inducción a través de Estrategias de enfriamiento.La pérdida de calor del núcleo de un motor de inducción se convierte en calor.Por lo tanto, este artículo analiza el mecanismo de transferencia de calor dentro del motor por conducción y convección forzada.Se informa el modelado térmico de IM usando ecuaciones de continuidad, ecuaciones de Navier-Stokes/momentum y ecuaciones de energía.Los investigadores realizaron estudios térmicos analíticos y numéricos de IM para estimar la temperatura de los devanados del estator con el único fin de controlar el régimen térmico del motor eléctrico.Este artículo se centra en el análisis térmico de los IM enfriados por aire y el análisis térmico de los IM integrados enfriados por aire y enfriados por agua mediante el modelado CAD y la simulación ANSYS Fluent.Y las ventajas térmicas del modelo mejorado integrado de sistemas enfriados por aire y enfriados por agua se analizan profundamente.Como se mencionó anteriormente, los documentos enumerados aquí no son un resumen del estado del arte en el campo de los fenómenos térmicos y el enfriamiento de los motores de inducción, pero indican muchos problemas que deben resolverse para garantizar el funcionamiento confiable de los motores de inducción. .
La pérdida de calor generalmente se divide en pérdida de cobre, pérdida de hierro y pérdida por fricción/mecánica.
Las pérdidas de cobre son el resultado del calentamiento Joule debido a la resistividad del conductor y se pueden cuantificar como 10,28:
donde q̇g es el calor generado, I y Ve son la corriente y el voltaje nominal, respectivamente, y Re es la resistencia de cobre.
La pérdida de hierro, también conocida como pérdida parásita, es el segundo tipo principal de pérdida que causa histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault en AM, causadas principalmente por el campo magnético variable en el tiempo.Se cuantifican mediante la ecuación de Steinmetz extendida, cuyos coeficientes pueden considerarse constantes o variables según las condiciones de operación10,28,29.
donde Khn es el factor de pérdidas por histéresis derivado del diagrama de pérdidas del núcleo, Ken es el factor de pérdidas por corrientes de Foucault, N es el índice armónico, Bn y f son la densidad de flujo máxima y la frecuencia de la excitación no sinusoidal, respectivamente.La ecuación anterior se puede simplificar aún más de la siguiente manera10,29:
Entre ellos, K1 y K2 son el factor de pérdida del núcleo y la pérdida por corrientes de Foucault (qec), la pérdida por histéresis (qh) y la pérdida por exceso (qex), respectivamente.
La carga de viento y las pérdidas por fricción son las dos causas principales de pérdidas mecánicas en IM.Las pérdidas por viento y fricción son 10,
En la fórmula, n es la velocidad de rotación, Kfb es el coeficiente de pérdidas por fricción, D es el diámetro exterior del rotor, l es la longitud del rotor, G es el peso del rotor 10.
El mecanismo principal para la transferencia de calor dentro del motor es a través de la conducción y el calentamiento interno, según lo determinado por la ecuación de Poisson30 aplicada a este ejemplo:
Durante el funcionamiento, después de cierto punto en el tiempo cuando el motor alcanza el estado estable, el calor generado puede aproximarse por un calentamiento constante del flujo de calor superficial.Por tanto, se puede suponer que la conducción en el interior del motor se realiza con liberación de calor interno.
La transferencia de calor entre las aletas y la atmósfera circundante se considera convección forzada, cuando una fuerza externa obliga al fluido a moverse en una determinada dirección.La convección se puede expresar como 30:
donde h es el coeficiente de transferencia de calor (W/m2·K), A es el área superficial y ΔT es la diferencia de temperatura entre la superficie de transferencia de calor y el refrigerante perpendicular a la superficie.El número de Nusselt (Nu) es una medida de la relación de transferencia de calor por convección y conducción perpendicular al límite y se elige en función de las características del flujo laminar y turbulento.Según el método empírico, el número de Nusselt del flujo turbulento suele estar asociado al número de Reynolds y al número de Prandtl, expresados como 30:
donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2·K), l es la longitud característica, λ es la conductividad térmica del fluido (W/m·K) y el número de Prandtl (Pr) es una medida de la relación de el coeficiente de difusión del impulso a la difusividad térmica (o velocidad y espesor relativo de la capa límite térmica), definida como 30:
donde k y cp son la conductividad térmica y la capacidad calorífica específica del líquido, respectivamente.En general, el aire y el agua son los refrigerantes más comunes para los motores eléctricos.Las propiedades líquidas del aire y el agua a temperatura ambiente se muestran en la Tabla 1.
El modelado térmico IM se basa en las siguientes suposiciones: estado estacionario 3D, flujo turbulento, el aire es un gas ideal, radiación insignificante, fluido newtoniano, fluido incompresible, condición antideslizante y propiedades constantes.Por lo tanto, las siguientes ecuaciones se utilizan para cumplir las leyes de conservación de la masa, la cantidad de movimiento y la energía en la región líquida.
En el caso general, la ecuación de conservación de masa es igual al flujo másico neto en la celda con líquido, determinado por la fórmula:
De acuerdo con la segunda ley de Newton, la tasa de cambio de la cantidad de movimiento de una partícula líquida es igual a la suma de las fuerzas que actúan sobre ella, y la ecuación general de conservación de la cantidad de movimiento se puede escribir en forma vectorial como:
Los términos ∇p, ∇∙τij y ρg en la ecuación anterior representan presión, viscosidad y gravedad, respectivamente.Los medios de enfriamiento (aire, agua, aceite, etc.) que se utilizan como refrigerantes en las máquinas generalmente se consideran newtonianos.Las ecuaciones que se muestran aquí solo incluyen una relación lineal entre el esfuerzo cortante y un gradiente de velocidad (tasa de deformación) perpendicular a la dirección del corte.Teniendo en cuenta la viscosidad constante y el flujo constante, la ecuación (12) se puede cambiar a 31:
De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la tasa de cambio en la energía de una partícula líquida es igual a la suma del calor neto generado por la partícula líquida y la potencia neta producida por la partícula líquida.Para un flujo viscoso compresible newtoniano, la ecuación de conservación de energía se puede expresar como31:
donde Cp es la capacidad calorífica a presión constante, y el término ∇ ∙ (k∇T) está relacionado con la conductividad térmica a través del límite de la celda líquida, donde k denota la conductividad térmica.La conversión de energía mecánica en calor se considera en términos de \(\varnothing\) (es decir, la función de disipación viscosa) y se define como:
Donde \(\rho\) es la densidad del líquido, \(\mu\) es la viscosidad del líquido, u, v y w son el potencial de la dirección x, y, z de la velocidad del líquido, respectivamente.Este término describe la conversión de energía mecánica en energía térmica y puede ignorarse porque solo es importante cuando la viscosidad del fluido es muy alta y el gradiente de velocidad del fluido es muy grande.En el caso de flujo estacionario, calor específico constante y conductividad térmica, la ecuación de energía se modifica de la siguiente manera:
Estas ecuaciones básicas se resuelven para flujo laminar en el sistema de coordenadas cartesianas.Sin embargo, como muchos otros problemas técnicos, el funcionamiento de las máquinas eléctricas está asociado principalmente con flujos turbulentos.Por lo tanto, estas ecuaciones se modifican para formar el método de promediación de Reynolds Navier-Stokes (RANS) para el modelado de turbulencia.
En este trabajo se eligió el programa ANSYS FLUENT 2021 para el modelado CFD con las condiciones de contorno correspondientes, como el modelo considerado: un motor asíncrono con refrigeración por aire con una capacidad de 100 kW, el diámetro del rotor 80,80 mm, el diámetro del estator 83,56 mm (interno) y 190 mm (externo), un espacio de aire de 1,38 mm, la longitud total de 234 mm, la cantidad, el espesor de las costillas 3 mm..
A continuación, el modelo de motor refrigerado por aire de SolidWorks se importa a ANSYS Fluent y se simula.Además, los resultados obtenidos se comprueban para garantizar la precisión de la simulación realizada.Además, se modeló un IM integrado enfriado por aire y agua con el software SolidWorks 2017 y se simuló con el software ANSYS Fluent 2021 (Figura 4).
El diseño y las dimensiones de este modelo están inspirados en la serie de aluminio 1LA9 de Siemens y modelados en SolidWorks 2017. El modelo se ha modificado ligeramente para adaptarse a las necesidades del software de simulación.Modifique modelos CAD eliminando partes no deseadas, eliminando filetes, chaflanes y más al modelar con ANSYS Workbench 2021.
Una innovación de diseño es la camisa de agua, cuya longitud se determinó a partir de los resultados de la simulación del primer modelo.Se han realizado algunos cambios en la simulación de la chaqueta de agua para obtener los mejores resultados al usar la cintura en ANSYS.Varias partes del IM se muestran en la fig.5a–f.
(A).Núcleo del rotor y eje IM.(b) Núcleo del estator IM.(c) Devanado del estator IM.(d) Marco externo del MI.(e) camisa de agua IM.f) combinación de modelos IM refrigerados por aire y agua.
El ventilador montado en el eje proporciona un flujo de aire constante de 10 m/s y una temperatura de 30 °C en la superficie de las aletas.El valor de la tasa se elige aleatoriamente en función de la capacidad de la presión arterial analizada en este artículo, que es superior a la indicada en la literatura.La zona caliente incluye el rotor, el estator, los devanados del estator y las barras de la jaula del rotor.Los materiales del estator y el rotor son de acero, los devanados y las varillas de la jaula son de cobre, el marco y las nervaduras son de aluminio.El calor generado en estas áreas se debe a fenómenos electromagnéticos, como el calentamiento Joule cuando una corriente externa pasa a través de una bobina de cobre, así como a cambios en el campo magnético.Las tasas de liberación de calor de los diversos componentes se tomaron de la literatura disponible para un IM de 100 kW.
Los IM integrados enfriados por aire y enfriados por agua, además de las condiciones anteriores, también incluían una camisa de agua, en la que se analizaron las capacidades de transferencia de calor y los requisitos de potencia de la bomba para varios caudales de agua (5 l/min, 10 l/min y 15 l/min).Esta válvula fue elegida como la válvula mínima, ya que los resultados no cambiaron significativamente para flujos por debajo de 5 L/min.Además, se eligió como valor máximo un caudal de 15 L/min, ya que la potencia de bombeo aumentó significativamente a pesar de que la temperatura seguía descendiendo.
Se importaron varios modelos de IM a ANSYS Fluent y se editaron posteriormente con ANSYS Design Modeler.Además, se construyó una carcasa en forma de caja con dimensiones de 0,3 × 0,3 × 0,5 m alrededor del AD para analizar el movimiento del aire alrededor del motor y estudiar la eliminación de calor a la atmósfera.Se realizaron análisis similares para los IM integrados enfriados por aire y agua.
El modelo IM se modela usando métodos numéricos CFD y FEM.Las mallas se construyen en CFD para dividir un dominio en un cierto número de componentes para encontrar una solución.Las mallas tetraédricas con los tamaños de elementos apropiados se utilizan para la geometría compleja general de los componentes del motor.Todas las interfaces se llenaron con 10 capas para obtener resultados precisos de transferencia de calor superficial.La geometría de cuadrícula de dos modelos MI se muestra en la Fig. .6a, b.
La ecuación de energía le permite estudiar la transferencia de calor en varias áreas del motor.Se eligió el modelo de turbulencia K-epsilon con funciones de pared estándar para modelar la turbulencia alrededor de la superficie exterior.El modelo tiene en cuenta la energía cinética (Ek) y la disipación turbulenta (épsilon).Se seleccionaron cobre, aluminio, acero, aire y agua por sus propiedades estándar para su uso en sus respectivas aplicaciones.Las tasas de disipación de calor (consulte la Tabla 2) se proporcionan como entradas y las diferentes condiciones de la zona de la batería se establecen en 15, 17, 28, 32. La velocidad del aire sobre la carcasa del motor se estableció en 10 m/s para ambos modelos de motor, y en Además, se tuvieron en cuenta tres caudales de agua diferentes para la camisa de agua (5 l/min, 10 l/min y 15 l/min).Para mayor precisión, los residuos de todas las ecuaciones se fijaron en 1 × 10–6.Seleccione el algoritmo SIMPLE (Método semiimplícito para ecuaciones de presión) para resolver las ecuaciones de Navier Prime (NS).Una vez completada la inicialización híbrida, la configuración ejecutará 500 iteraciones, como se muestra en la Figura 7.
Hora de publicación: 24-jul-2023