تحليل الإدارة الحرارية لمحركات الحث من خلال الجمع بين نظام تبريد بالهواء ونظام تبريد مائي متكامل

شكرًا لك على زيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة ، نوصي باستخدام مستعرض محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).في غضون ذلك ، لضمان استمرار الدعم ، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
نظرًا لتكاليف التشغيل وطول عمر المحرك ، فإن استراتيجية الإدارة الحرارية المناسبة للمحرك مهمة للغاية.طورت هذه المقالة إستراتيجية إدارة حرارية للمحركات الحثية لتوفير متانة أفضل وتحسين الكفاءة.بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء مراجعة شاملة للأدبيات الخاصة بطرق تبريد المحرك.كنتيجة رئيسية ، يتم إعطاء حساب حراري لمحرك غير متزامن عالي الطاقة ومبرد بالهواء ، مع الأخذ في الاعتبار مشكلة توزيع الحرارة المعروفة.بالإضافة إلى ذلك ، تقترح هذه الدراسة نهجًا متكاملًا مع استراتيجيتين أو أكثر للتبريد لتلبية الاحتياجات الحالية.تم إجراء دراسة عددية لنموذج لمحرك غير متزامن مبرد بالهواء بقدرة 100 كيلو وات ونموذج إدارة حراري محسّن لنفس المحرك ، حيث يتم تحقيق زيادة كبيرة في كفاءة المحرك من خلال مزيج من تبريد الهواء ونظام تبريد الماء المتكامل. تم تنفيذها.تمت دراسة نظام متكامل مبرد بالهواء ومبرد بالماء باستخدام إصدارات SolidWorks 2017 و ANSYS Fluent 2021.تم تحليل ثلاثة تدفقات مياه مختلفة (5 لتر / دقيقة ، 10 لتر / دقيقة ، و 15 لتر / دقيقة) مقابل المحركات الحثية التقليدية المبردة بالهواء والتحقق منها باستخدام الموارد المنشورة المتاحة.يوضح التحليل أنه بالنسبة لمعدلات التدفق المختلفة (5 لتر / دقيقة ، 10 لتر / دقيقة و 15 لتر / دقيقة على التوالي) حصلنا على تخفيضات مقابلة في درجة الحرارة بنسبة 2.94٪ ، 4.79٪ و 7.69٪.لذلك ، تظهر النتائج أن المحرك الحثي المضمن يمكنه تقليل درجة الحرارة بشكل فعال مقارنة بالمحرك الحثي المبرد بالهواء.
يعد المحرك الكهربائي أحد الاختراعات الرئيسية لعلوم الهندسة الحديثة.تُستخدم المحركات الكهربائية في كل شيء من الأجهزة المنزلية إلى السيارات ، بما في ذلك صناعات السيارات والطيران.في السنوات الأخيرة ، ازدادت شعبية المحركات الحثية (AM) بسبب عزم بدء التشغيل العالي ، والتحكم الجيد في السرعة ، وقدرة الحمولة الزائدة المعتدلة (الشكل 1).لا تجعل المحركات الحثية مصابيحك الكهربائية تتوهج فحسب ، بل إنها تشغل معظم الأدوات في منزلك ، من فرشاة أسنانك إلى سيارة Tesla الخاصة بك.يتم إنشاء الطاقة الميكانيكية في IM عن طريق ملامسة المجال المغناطيسي لملفات العضو الثابت والدوار.بالإضافة إلى ذلك ، يعد IM خيارًا قابلاً للتطبيق بسبب العرض المحدود للمعادن الأرضية النادرة.ومع ذلك ، فإن العيب الرئيسي للإعلانات هو أن حياتها وفعاليتها حساسة للغاية لدرجة الحرارة.تستهلك المحركات الحثية حوالي 40٪ من كهرباء العالم ، وهو ما يجب أن يقودنا إلى الاعتقاد بأن إدارة استهلاك الطاقة لهذه الآلات أمر بالغ الأهمية.
تنص معادلة أرهينيوس على أنه مقابل كل ارتفاع في درجة حرارة التشغيل بمقدار 10 درجات مئوية ، ينخفض ​​عمر المحرك بأكمله إلى النصف.لذلك ، لضمان الموثوقية وزيادة إنتاجية الجهاز ، من الضروري الانتباه إلى التحكم الحراري في ضغط الدم.في الماضي ، تم إهمال التحليل الحراري ولم يأخذ مصممو المحركات في الاعتبار المشكلة إلا في الأطراف ، بناءً على خبرة التصميم أو متغيرات الأبعاد الأخرى مثل كثافة التيار المتعرج ، وما إلى ذلك. تؤدي هذه الأساليب إلى تطبيق هوامش أمان كبيرة للأسوأ- ظروف تسخين العلبة ، مما أدى إلى زيادة حجم الماكينة وبالتالي زيادة التكلفة.
هناك نوعان من التحليل الحراري: تحليل الدائرة المجمعة والطرق العددية.الميزة الرئيسية للطرق التحليلية هي القدرة على إجراء العمليات الحسابية بسرعة ودقة.ومع ذلك ، يجب بذل جهد كبير لتحديد الدوائر بدقة كافية لمحاكاة المسارات الحرارية.من ناحية أخرى ، تنقسم الطرق العددية تقريبًا إلى ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) والتحليل الحراري الهيكلي (STA) ، وكلاهما يستخدم تحليل العناصر المحدودة (FEA).تتمثل ميزة التحليل العددي في أنه يسمح لك بنمذجة هندسة الجهاز.ومع ذلك ، قد يكون إعداد النظام والحسابات صعبة في بعض الأحيان.المقالات العلمية التي نوقشت أدناه هي أمثلة مختارة للتحليل الحراري والكهرومغناطيسي لمختلف المحركات الحثية الحديثة.دفعت هذه المقالات المؤلفين إلى دراسة الظواهر الحرارية في المحركات غير المتزامنة وطرق تبريدها.
كان Pil-Wan Han1 يعمل في التحليل الحراري والكهرومغناطيسي لـ MI.يتم استخدام طريقة تحليل الدائرة المجمعة للتحليل الحراري ، ويتم استخدام طريقة العناصر المحددة المغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت للتحليل الكهرومغناطيسي.من أجل توفير الحماية من الحمل الزائد الحراري بشكل صحيح في أي تطبيق صناعي ، يجب تقدير درجة حرارة لف الجزء الثابت بشكل موثوق.اقترح أحمد وزملاؤه 2 نموذج شبكة حرارية أعلى مرتبة بناءً على اعتبارات حرارية وديناميكية حرارية عميقة.يستفيد تطوير طرق النمذجة الحرارية لأغراض الحماية الحرارية الصناعية من الحلول التحليلية ومراعاة المعلمات الحرارية.
استخدم Nair et al. 3 تحليلًا مشتركًا لـ 39 kW IM والتحليل الحراري العددي ثلاثي الأبعاد للتنبؤ بالتوزيع الحراري في آلة كهربائية.قام Ying et al. بتحليل مراوح فورية مبردة بالكامل (TEFC) بتقدير درجة الحرارة ثلاثية الأبعاد.مون وآخرون.درس 5 خصائص التدفق الحراري لـ IM TEFC باستخدام CFD.تم تقديم نموذج انتقال محرك LPTN بواسطة Todd et al.تُستخدم بيانات درجة الحرارة التجريبية جنبًا إلى جنب مع درجات الحرارة المحسوبة المشتقة من نموذج LPTN المقترح.استخدم Peter et al.7 CFD لدراسة تدفق الهواء الذي يؤثر على السلوك الحراري للمحركات الكهربائية.
اقترح Cabral et al8 نموذجًا حراريًا بسيطًا IM حيث تم الحصول على درجة حرارة الماكينة من خلال تطبيق معادلة انتشار الحرارة على الأسطوانة.درس Nategh وزملاؤه 9 نظام محرك سحب ذاتي التهوية باستخدام CFD لاختبار دقة المكونات المُحسَّنة.وبالتالي ، يمكن استخدام الدراسات العددية والتجريبية لمحاكاة التحليل الحراري للمحركات الحثية ، انظر الشكل.2.
اقترح Yinye et al 10 تصميمًا لتحسين الإدارة الحرارية من خلال استغلال الخصائص الحرارية الشائعة للمواد القياسية والمصادر الشائعة لفقدان جزء من الماكينة.قدم Marco et al 11 معايير لتصميم أنظمة التبريد وسترات المياه لمكونات الماكينة باستخدام طرازي CFD و LPTN.يقدم Yaohui وآخرون 12 إرشادات مختلفة لاختيار طريقة تبريد مناسبة وتقييم الأداء في وقت مبكر من عملية التصميم.اقترح نيل وزملاؤه 13 استخدام نماذج المحاكاة الكهرومغناطيسية الحرارية المقترنة لمجموعة معينة من القيم ومستوى التفاصيل والقدرة الحسابية لمشكلة متعددة الفيزياء.درس جان وآخرون 14 وكيم وآخرون 15 توزيع درجة حرارة محرك حثي مبرد بالهواء باستخدام مجال FEM مقترن ثلاثي الأبعاد.احسب بيانات الإدخال باستخدام تحليل مجال تيار الدوامة ثلاثي الأبعاد لإيجاد خسائر جول واستخدامها للتحليل الحراري.
قارن ميشيل وآخرون مراوح التبريد بالطرد المركزي التقليدية مع المراوح المحورية ذات التصميمات المختلفة من خلال المحاكاة والتجارب.حقق أحد هذه التصميمات تحسينات صغيرة ولكنها مهمة في كفاءة المحرك مع الحفاظ على نفس درجة حرارة التشغيل.
استخدم Lu et al 17 طريقة الدائرة المغناطيسية المكافئة بالاشتراك مع نموذج Boglietti لتقدير خسائر الحديد على عمود المحرك التعريفي.يفترض المؤلفون أن توزيع كثافة التدفق المغناطيسي في أي مقطع عرضي داخل محرك المغزل منتظم.قارنوا طريقتهم بنتائج تحليل العناصر المحدودة والنماذج التجريبية.يمكن استخدام هذه الطريقة للتحليل السريع لـ MI ، لكن دقتها محدودة.
يقدم 18 طرقًا مختلفة لتحليل المجال الكهرومغناطيسي لمحركات الحث الخطي.من بينها ، تم وصف طرق تقدير فقد الطاقة في القضبان التفاعلية وطرق التنبؤ بارتفاع درجة حرارة محركات الحث الخطي للجر.يمكن استخدام هذه الطرق لتحسين كفاءة تحويل الطاقة لمحركات الحث الخطي.
زبدور وآخرونقام رقم 19 بدراسة أداء أغطية التبريد باستخدام طريقة عددية ثلاثية الأبعاد.يستخدم غلاف التبريد الماء كمصدر رئيسي لسائل التبريد لثلاث مراحل IM ، وهو أمر مهم للطاقة ودرجات الحرارة القصوى المطلوبة للضخ.ريبل وآخرون.حصل 20 على براءة اختراع لمقاربة جديدة لأنظمة التبريد السائل تسمى التبريد الرقائقي المستعرض ، حيث يتدفق المبرد بشكل عرضي عبر مناطق ضيقة تشكلت بواسطة ثقوب في كل التصفيح المغناطيسي الآخر.Deriszade et al.21 درس تجريبياً تبريد محركات الجر في صناعة السيارات باستخدام مزيج من الإيثيلين جلايكول والماء.تقييم أداء المخاليط المختلفة باستخدام تحليل السائل المضطرب ثلاثي الأبعاد وعقد الفروقات CFD.أظهرت دراسة محاكاة أجراها Boopathi وآخرون 22 أن نطاق درجة حرارة المحركات المبردة بالماء (17-124 درجة مئوية) أصغر بكثير من المحركات المبردة بالهواء (104-250 درجة مئوية).يتم تقليل درجة الحرارة القصوى لمحرك الألمنيوم المبرد بالماء بنسبة 50.4٪ ، ويتم تقليل درجة الحرارة القصوى للمحرك المبرد بالماء PA6GF30 بنسبة 48.4٪.قام Bezukov وزملاؤه 23 بتقييم تأثير تكوين المقياس على التوصيل الحراري لجدار المحرك باستخدام نظام التبريد السائل.أظهرت الدراسات أن فيلم أكسيد بسمك 1.5 مم يقلل من انتقال الحرارة بنسبة 30٪ ، ويزيد من استهلاك الوقود ويقلل من قوة المحرك.
أجرى Tanguy et al. 24 تجارب بمعدلات تدفق مختلفة ودرجات حرارة الزيت وسرعات الدوران وأنماط الحقن للمحركات الكهربائية باستخدام زيت التشحيم كمبرد.تم إنشاء علاقة قوية بين معدل التدفق وكفاءة التبريد الشاملة.اقترح Ha et al. 25 استخدام فوهات التنقيط كفوهات لتوزيع طبقة الزيت بالتساوي وزيادة كفاءة تبريد المحرك.
حلل ناندي وزملاؤه 26 تأثير الأنابيب الحرارية المسطحة على شكل حرف L على أداء المحرك والإدارة الحرارية.يتم تثبيت جزء مبخر أنبوب الحرارة في غلاف المحرك أو مدفون في عمود المحرك ، ويتم تثبيت جزء المكثف وتبريده عن طريق تدوير السائل أو الهواء.بيلتر وآخرون.27 درس نظام تبريد سائل صلب PCM لعضو ثابت المحرك العابر.يشرب PCM رؤوس اللف ، مما يقلل من درجة حرارة النقطة الساخنة عن طريق تخزين الطاقة الحرارية الكامنة.
وبالتالي ، يتم تقييم أداء المحرك ودرجة الحرارة باستخدام استراتيجيات تبريد مختلفة ، انظر الشكل.3. تم تصميم دوائر التبريد هذه للتحكم في درجة حرارة الملفات ، والألواح ، ورؤوس اللف ، والمغناطيس ، والهيكل واللوحات الطرفية.
تُعرف أنظمة التبريد بالسائل بكفاءة نقل الحرارة.ومع ذلك ، فإن ضخ سائل التبريد حول المحرك يستهلك الكثير من الطاقة ، مما يقلل من قدرة المحرك الفعالة.من ناحية أخرى ، تعد أنظمة تبريد الهواء طريقة مستخدمة على نطاق واسع نظرًا لتكلفتها المنخفضة وسهولة ترقيتها.ومع ذلك ، فإنه لا يزال أقل كفاءة من أنظمة التبريد السائل.هناك حاجة إلى نهج متكامل يمكنه الجمع بين الأداء العالي لنقل الحرارة لنظام التبريد السائل والتكلفة المنخفضة لنظام التبريد بالهواء دون استهلاك طاقة إضافية.
تسرد هذه المقالة وتحلل فقدان الحرارة في ميلادي.تم شرح آلية هذه المشكلة ، بالإضافة إلى تسخين وتبريد المحركات الحثية ، في قسم فقد الحرارة في المحركات الحثية من خلال استراتيجيات التبريد.يتم تحويل فقدان الحرارة في قلب المحرك التعريفي إلى حرارة.لذلك ، تتناول هذه المقالة آلية انتقال الحرارة داخل المحرك عن طريق التوصيل والحمل القسري.تم الإبلاغ عن النمذجة الحرارية لـ IM باستخدام معادلات الاستمرارية ومعادلات Navier-Stokes / الزخم ومعادلات الطاقة.أجرى الباحثون دراسات حرارية تحليلية ورقمية عن IM لتقدير درجة حرارة لفات الجزء الثابت لغرض وحيد هو التحكم في النظام الحراري للمحرك الكهربائي.تركز هذه المقالة على التحليل الحراري للرسائل الفورية المبردة بالهواء والتحليل الحراري للرسائل الفورية المتكاملة المبردة بالهواء والمياه المبردة باستخدام نمذجة CAD ومحاكاة ANSYS Fluent.ويتم تحليل المزايا الحرارية للنموذج المحسن المتكامل لأنظمة التبريد بالهواء والمبرد بالماء بعمق.كما ذكرنا سابقًا ، الوثائق المذكورة هنا ليست ملخصًا لأحدث التطورات في مجال الظواهر الحرارية وتبريد المحركات الحثية ، ولكنها تشير إلى العديد من المشكلات التي يجب حلها من أجل ضمان التشغيل الموثوق للمحركات الحثية .
ينقسم فقدان الحرارة عادةً إلى فقد النحاس وفقدان الحديد والاحتكاك / الفقد الميكانيكي.
خسائر النحاس ناتجة عن تسخين جول بسبب مقاومة الموصل ويمكن قياسها على أنها 10.28:
حيث q̇g هي الحرارة المتولدة ، I و Ve هما التيار والجهد الاسمي ، على التوالي ، و Re هي مقاومة النحاس.
فقدان الحديد ، المعروف أيضًا باسم الفقد الطفيلي ، هو النوع الرئيسي الثاني من الخسارة التي تسبب التباطؤ وخسائر التيار الدوامة في AM ، والتي تنتج أساسًا عن المجال المغناطيسي المتغير بمرور الوقت.يتم تحديدها كمياً بواسطة معادلة Steinmetz الموسعة ، والتي يمكن اعتبار معاملاتها ثابتة أو متغيرة اعتمادًا على ظروف التشغيل.
حيث Khn هو عامل فقدان التخلفية المشتق من مخطط خسارة النواة ، كين هو عامل فقدان التيار الدوامي ، N هو المؤشر التوافقي ، Bn و f هي كثافة تدفق الذروة وتواتر الإثارة غير الجيبية ، على التوالي.يمكن تبسيط المعادلة أعلاه بشكل أكبر على النحو التالي:
من بينها ، K1 و K2 هما عامل الخسارة الأساسي وخسارة التيار الدوامة (qec) وخسارة التباطؤ (qh) والخسارة الزائدة (qex) على التوالي.
يعد حمل الرياح وخسائر الاحتكاك السببين الرئيسيين للخسائر الميكانيكية في IM.خسائر الرياح والاحتكاك 10 ،
في الصيغة ، n هي سرعة الدوران ، Kfb هي معامل خسائر الاحتكاك ، D هي القطر الخارجي للجزء المتحرك ، l طول الجزء المتحرك ، G هي وزن الجزء المتحرك 10.
الآلية الأساسية لنقل الحرارة داخل المحرك هي عن طريق التوصيل والتدفئة الداخلية ، كما هو محدد بواسطة معادلة بواسون المطبقة على هذا المثال:
أثناء التشغيل ، بعد نقطة زمنية معينة عندما يصل المحرك إلى حالة مستقرة ، يمكن تقريب الحرارة المتولدة عن طريق التسخين المستمر لتدفق حرارة السطح.لذلك ، يمكن افتراض أن التوصيل داخل المحرك يتم مع إطلاق الحرارة الداخلية.
يعتبر انتقال الحرارة بين الزعانف والجو المحيط حملًا قسريًا ، عندما يُجبر السائل على التحرك في اتجاه معين بواسطة قوة خارجية.يمكن التعبير عن الحمل على أنه 30:
حيث h هو معامل نقل الحرارة (W / m2 K) ، A هي مساحة السطح ، و T هي الفرق في درجة الحرارة بين سطح نقل الحرارة والمبرد المتعامد على السطح.رقم نسلت (نو) هو مقياس لنسبة انتقال الحرارة بالحمل الحراري والموصل عموديًا على الحدود ويتم اختياره بناءً على خصائص التدفق الصفحي والاضطراب.وفقًا للطريقة التجريبية ، يرتبط عدد Nusselt للتدفق المضطرب عادةً برقم Reynolds ورقم Prandtl ، معبرًا عنه بـ 30:
حيث h هو معامل نقل الحرارة الحراري (W / m2 K) ، l هو الطول المميز ، λ هو الموصلية الحرارية للسائل (W / m K) ، ورقم Prandtl (Pr) هو مقياس لنسبة معامل انتشار الزخم للانتشار الحراري (أو السرعة والسمك النسبي للطبقة الحدودية الحرارية) ، المحدد بـ 30:
حيث k و cp هما الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية للسائل ، على التوالي.بشكل عام ، يعد الهواء والماء أكثر المبردات شيوعًا للمحركات الكهربائية.يوضح الجدول 1 الخصائص السائلة للهواء والماء عند درجة الحرارة المحيطة.
تعتمد النمذجة الحرارية IM على الافتراضات التالية: الحالة المستقرة ثلاثية الأبعاد ، والتدفق المضطرب ، والهواء غاز مثالي ، وإشعاع ضئيل ، والسائل النيوتوني ، والسائل غير القابل للضغط ، وحالة عدم الانزلاق ، والخصائص الثابتة.لذلك ، يتم استخدام المعادلات التالية للوفاء بقوانين حفظ الكتلة والزخم والطاقة في المنطقة السائلة.
في الحالة العامة ، تكون معادلة الحفظ الشامل مساوية لتدفق الكتلة الصافي إلى الخلية بالسائل ، والتي تحددها الصيغة:
وفقًا لقانون نيوتن الثاني ، فإن معدل تغير زخم الجسيم السائل يساوي مجموع القوى المؤثرة عليه ، ويمكن كتابة معادلة الحفاظ على الزخم العام في شكل متجه على النحو التالي:
تمثل المصطلحات ∇p و ∇ ∙ τij و g في المعادلة أعلاه الضغط واللزوجة والجاذبية على التوالي.تعتبر وسائط التبريد (الهواء ، والماء ، والزيت ، وما إلى ذلك) المستخدمة كمبردات في الآلات بشكل عام نيوتونية.تتضمن المعادلات الموضحة هنا فقط علاقة خطية بين إجهاد القص وتدرج السرعة (معدل الإجهاد) المتعامد مع اتجاه القص.بالنظر إلى اللزوجة الثابتة والتدفق الثابت ، يمكن تغيير المعادلة (12) إلى 31:
وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، فإن معدل التغير في طاقة الجسيم السائل يساوي مجموع صافي الحرارة المتولدة عن الجسيم السائل وصافي الطاقة الناتجة عن الجسيم السائل.بالنسبة للتدفق اللزج القابل للضغط النيوتوني ، يمكن التعبير عن معادلة الحفاظ على الطاقة على النحو التالي:
حيث Cp هي السعة الحرارية عند ضغط ثابت ، ويرتبط المصطلح ∇ ∙ (k∇T) بالتوصيل الحراري عبر حدود الخلية السائلة ، حيث يشير k إلى الموصلية الحرارية.يعتبر تحويل الطاقة الميكانيكية إلى حرارة من حيث \ (\ varnothing \) (أي وظيفة التبديد اللزج) ويتم تعريفه على النحو التالي:
حيث \ (\ rho \) هي كثافة السائل ، \ (\ mu \) هي لزوجة السائل ، u ، v و w هي احتمالية الاتجاه x ، y ، z لسرعة السائل ، على التوالي.يصف هذا المصطلح تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية ويمكن تجاهله لأنه مهم فقط عندما تكون لزوجة المائع عالية جدًا وتدرج السرعة للسائل كبيرًا جدًا.في حالة التدفق الثابت والحرارة النوعية الثابتة والتوصيل الحراري ، يتم تعديل معادلة الطاقة على النحو التالي:
يتم حل هذه المعادلات الأساسية للتدفق الصفحي في نظام الإحداثيات الديكارتية.ومع ذلك ، مثل العديد من المشكلات الفنية الأخرى ، يرتبط تشغيل الآلات الكهربائية في المقام الأول بالتدفقات المضطربة.لذلك ، يتم تعديل هذه المعادلات لتشكيل طريقة رينولدز نافير ستوكس (RANS) لحساب المتوسط ​​لنمذجة الاضطراب.
في هذا العمل ، تم اختيار برنامج ANSYS FLUENT 2021 لنمذجة CFD مع شروط الحدود المقابلة ، مثل النموذج المدروس: محرك غير متزامن مع تبريد هوائي بسعة 100 كيلو وات ، قطر الدوار 80.80 مم ، القطر للجزء الثابت 83.56 مم (داخلي) و 190 مم (خارجي) ، فجوة هوائية 1.38 مم ، الطول الإجمالي 234 مم ، مقدار سماكة الأضلاع 3 مم..
ثم يتم استيراد نموذج محرك SolidWorks المبرد بالهواء إلى ANSYS Fluent ومحاكاة.بالإضافة إلى ذلك ، يتم فحص النتائج التي تم الحصول عليها للتأكد من دقة المحاكاة التي يتم إجراؤها.بالإضافة إلى ذلك ، تم تصميم نموذج IM متكامل مبرد بالهواء والماء باستخدام برنامج SolidWorks 2017 ومحاكاته باستخدام برنامج ANSYS Fluent 2021 (الشكل 4).
تصميم وأبعاد هذا الطراز مستوحاة من سلسلة الألومنيوم 1LA9 من سيمنز وتم تصميمها في SolidWorks 2017. تم تعديل النموذج قليلاً ليناسب احتياجات برنامج المحاكاة.قم بتعديل نماذج CAD عن طريق إزالة الأجزاء غير المرغوب فيها ، وإزالة الشرائح ، والشطب ، والمزيد عند النمذجة باستخدام ANSYS Workbench 2021.
ابتكار التصميم هو سترة الماء ، والتي تم تحديد طولها من نتائج محاكاة النموذج الأول.تم إجراء بعض التغييرات على محاكاة سترة الماء للحصول على أفضل النتائج عند استخدام الخصر في ANSYS.يتم عرض أجزاء مختلفة من IM في الشكل.5a-f.
(أ).قلب الدوار وعمود IM.(ب) قلب الجزء الثابت IM.(ج) لف الجزء الثابت IM.(د) الإطار الخارجي لل MI.(ه) سترة المياه IM.و) مزيج من نماذج IM المبردة بالهواء والماء.
توفر المروحة المُثبَّتة بالعمود تدفقًا ثابتًا للهواء بمعدل 10 م / ث ودرجة حرارة 30 درجة مئوية على سطح الزعانف.يتم اختيار قيمة المعدل بشكل عشوائي اعتمادًا على سعة ضغط الدم التي تم تحليلها في هذه المقالة ، وهي أكبر من تلك المشار إليها في الأدبيات.تشمل المنطقة الساخنة ملفات العضو الدوار والجزء الثابت والجزء الثابت وقضبان القفص الدوار.مواد الجزء الثابت والدوار من الصلب ، والملفات وقضبان القفص من النحاس ، والإطار والأضلاع من الألومنيوم.تعود الحرارة المتولدة في هذه المناطق إلى ظواهر كهرومغناطيسية ، مثل تسخين الجول عندما يمر تيار خارجي عبر ملف نحاسي ، وكذلك التغيرات في المجال المغناطيسي.تم الحصول على معدلات إطلاق الحرارة للمكونات المختلفة من الأدبيات المختلفة المتاحة لـ 100 kW IM.
تضمنت IMs المدمجة المبردة بالهواء والمبردة بالماء ، بالإضافة إلى الظروف المذكورة أعلاه ، أيضًا سترة مائية ، حيث تم تحليل إمكانات نقل الحرارة ومتطلبات طاقة المضخة لمعدلات تدفق المياه المختلفة (5 لتر / دقيقة ، 10 لتر / دقيقة و 15 لتر / دقيقة).تم اختيار هذا الصمام كصمام أدنى ، حيث لم تتغير النتائج بشكل ملحوظ للتدفقات التي تقل عن 5 لتر / دقيقة.بالإضافة إلى ذلك ، تم اختيار معدل تدفق قدره 15 لترًا / دقيقة كقيمة قصوى ، حيث زادت قوة الضخ بشكل كبير على الرغم من استمرار انخفاض درجة الحرارة.
تم استيراد نماذج IM مختلفة إلى ANSYS Fluent وتم تعديلها باستخدام ANSYS Design Modeler.علاوة على ذلك ، تم بناء غلاف على شكل صندوق بأبعاد 0.3 × 0.3 × 0.5 متر حول AD لتحليل حركة الهواء حول المحرك ودراسة إزالة الحرارة في الغلاف الجوي.تم إجراء تحليلات مماثلة للرسائل المتكاملة المبردة بالهواء والماء.
تم تصميم نموذج IM باستخدام طرق CFD و FEM العددية.يتم إنشاء الشبكات في CFD لتقسيم المجال إلى عدد معين من المكونات من أجل إيجاد حل.تُستخدم الشبكات رباعية السطوح ذات الأحجام المناسبة للعناصر في الهندسة العامة المعقدة لمكونات المحرك.تم تعبئة جميع الواجهات بـ 10 طبقات للحصول على نتائج نقل حرارة سطحية دقيقة.تظهر هندسة الشبكة لنموذجين MI في الشكل.6 أ ، ب.
تسمح لك معادلة الطاقة بدراسة انتقال الحرارة في مناطق مختلفة من المحرك.تم اختيار نموذج الاضطراب K-epsilon مع وظائف الجدار القياسية لنمذجة الاضطراب حول السطح الخارجي.يأخذ النموذج في الاعتبار الطاقة الحركية (Ek) والتبديد المضطرب (إبسيلون).تم اختيار النحاس والألمنيوم والفولاذ والهواء والماء لخصائصها القياسية لاستخدامها في التطبيقات الخاصة بكل منها.تُعطى معدلات تبديد الحرارة (انظر الجدول 2) كمدخلات ، ويتم ضبط ظروف منطقة البطارية المختلفة على 15 ، 17 ، 28 ، 32. تم ضبط سرعة الهواء فوق علبة المحرك على 10 م / ث لكلا الطرازين من المحركات ، وفي بالإضافة إلى ذلك ، تم أخذ ثلاثة معدلات مياه مختلفة في الاعتبار للغطاء المائي (5 لتر / دقيقة ، 10 لتر / دقيقة و 15 لتر / دقيقة).لمزيد من الدقة ، تم ضبط القيم المتبقية لجميع المعادلات على 1 × 10–6.حدد خوارزمية SIMPLE (الطريقة شبه الضمنية لمعادلات الضغط) لحل معادلات Navier Prime (NS).بعد اكتمال التهيئة المختلطة ، سيعمل الإعداد على 500 تكرار ، كما هو موضح في الشكل 7.