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Devido aos custos operacionais e à longevidade do motor, uma estratégia adequada de gerenciamento térmico do motor é extremamente importante.Este artigo desenvolveu uma estratégia de gerenciamento térmico para motores de indução para proporcionar maior durabilidade e melhorar a eficiência.Além disso, foi realizada uma extensa revisão da literatura sobre métodos de resfriamento de motores.Como principal resultado, é dado um cálculo térmico de um motor assíncrono de alta potência refrigerado a ar, levando em consideração o conhecido problema de distribuição de calor.Além disso, este estudo propõe uma abordagem integrada com duas ou mais estratégias de resfriamento para atender às necessidades atuais.Um estudo numérico de um modelo de um motor assíncrono refrigerado a ar de 100 kW e um modelo de gerenciamento térmico aprimorado do mesmo motor, onde um aumento significativo na eficiência do motor é obtido por meio de uma combinação de resfriamento a ar e um sistema integrado de resfriamento a água, foi realizado.Um sistema integrado refrigerado a ar e refrigerado a água foi estudado usando as versões SolidWorks 2017 e ANSYS Fluent 2021.Três fluxos de água diferentes (5 L/min, 10 L/min e 15 L/min) foram analisados em relação a motores de indução refrigerados a ar convencionais e verificados usando os recursos publicados disponíveis.A análise mostra que para diferentes vazões (5 L/min, 10 L/min e 15 L/min respectivamente) obtivemos reduções de temperatura correspondentes de 2,94%, 4,79% e 7,69%.Portanto, os resultados mostram que o motor de indução embutido pode efetivamente reduzir a temperatura em comparação com o motor de indução refrigerado a ar.
O motor elétrico é uma das principais invenções da ciência da engenharia moderna.Os motores elétricos são usados em tudo, desde eletrodomésticos a veículos, incluindo as indústrias automotiva e aeroespacial.Nos últimos anos, a popularidade dos motores de indução (AM) aumentou devido ao seu alto torque de partida, bom controle de velocidade e capacidade de sobrecarga moderada (Fig. 1).Os motores de indução não apenas fazem suas lâmpadas brilharem, mas também alimentam a maioria dos aparelhos em sua casa, desde sua escova de dentes até seu Tesla.A energia mecânica em IM é criada pelo contato do campo magnético dos enrolamentos do estator e do rotor.Além disso, o IM é uma opção viável devido ao suprimento limitado de metais de terras raras.No entanto, a principal desvantagem dos ADs é que sua vida útil e eficiência são muito sensíveis à temperatura.Os motores de indução consomem cerca de 40% da eletricidade mundial, o que deve nos levar a pensar que gerenciar o consumo de energia dessas máquinas é fundamental.
A equação de Arrhenius afirma que, para cada aumento de 10°C na temperatura operacional, a vida útil de todo o motor é reduzida pela metade.Portanto, para garantir a confiabilidade e aumentar a produtividade da máquina, é necessário ficar atento ao controle térmico da pressão arterial.No passado, a análise térmica era negligenciada e os projetistas de motores consideravam o problema apenas na periferia, com base na experiência de projeto ou outras variáveis dimensionais, como densidade de corrente do enrolamento etc. condições de aquecimento da caixa, resultando em um aumento no tamanho da máquina e, portanto, um aumento no custo.
Existem dois tipos de análise térmica: análise de circuito concentrado e métodos numéricos.A principal vantagem dos métodos analíticos é a capacidade de realizar cálculos com rapidez e precisão.No entanto, um esforço considerável deve ser feito para definir circuitos com precisão suficiente para simular caminhos térmicos.Por outro lado, os métodos numéricos são divididos em dinâmica de fluidos computacional (CFD) e análise térmica estrutural (STA), ambos os quais usam análise de elementos finitos (FEA).A vantagem da análise numérica é que ela permite modelar a geometria do dispositivo.No entanto, a configuração e os cálculos do sistema às vezes podem ser difíceis.Os artigos científicos discutidos abaixo são exemplos selecionados de análise térmica e eletromagnética de vários motores de indução modernos.Esses artigos levaram os autores a estudar fenômenos térmicos em motores assíncronos e métodos para seu resfriamento.
Pil-Wan Han1 estava envolvido na análise térmica e eletromagnética de MI.O método de análise de circuito concentrado é usado para análise térmica, e o método de elemento finito magnético variável no tempo é usado para análise eletromagnética.Para fornecer proteção contra sobrecarga térmica em qualquer aplicação industrial, a temperatura do enrolamento do estator deve ser estimada de forma confiável.Ahmed et al.2 propuseram um modelo de rede de calor de ordem superior baseado em profundas considerações térmicas e termodinâmicas.O desenvolvimento de métodos de modelagem térmica para fins de proteção térmica industrial se beneficia de soluções analíticas e consideração de parâmetros térmicos.
Nair et al.3 usaram uma análise combinada de um IM de 39 kW e uma análise térmica numérica 3D para prever a distribuição térmica em uma máquina elétrica.Ying et al.4 analisaram MIs totalmente fechados (TEFC) refrigerados por ventilador com estimativa de temperatura 3D.Lua e outros.5 estudaram as propriedades de fluxo de calor de IM TEFC usando CFD.O modelo de transição motora LPTN foi dado por Todd et al.6.Os dados de temperatura experimentais são usados juntamente com as temperaturas calculadas derivadas do modelo LPTN proposto.Peter et al.7 utilizaram CFD para estudar o fluxo de ar que afeta o comportamento térmico de motores elétricos.
Cabral et al8 propuseram um modelo térmico IM simples no qual a temperatura da máquina foi obtida pela aplicação da equação de difusão de calor do cilindro.Nategh et al.9 estudaram um sistema de motor de tração autoventilado usando CFD para testar a precisão de componentes otimizados.Assim, estudos numéricos e experimentais podem ser utilizados para simular a análise térmica de motores de indução, vide fig.2.
Yinye et al.10 propuseram um projeto para melhorar o gerenciamento térmico explorando as propriedades térmicas comuns de materiais padrão e fontes comuns de perda de peças de máquinas.Marco et al.11 apresentaram critérios para projetar sistemas de refrigeração e camisas d'água para componentes de máquinas usando modelos CFD e LPTN.Yaohui et al.12 fornecem várias diretrizes para selecionar um método de resfriamento apropriado e avaliar o desempenho no início do processo de projeto.Nell et al.13 propuseram a utilização de modelos para simulação termo-eletromagnética acoplada para uma dada faixa de valores, nível de detalhe e poder computacional para um problema multifísico.Jean et al.14 e Kim et al.15 estudaram a distribuição de temperatura de um motor de indução refrigerado a ar usando um campo FEM acoplado em 3D.Calcule dados de entrada usando análise de campo de corrente parasita 3D para encontrar perdas Joule e use-as para análise térmica.
Michel et al.16 compararam ventiladores centrífugos convencionais com ventiladores axiais de vários designs por meio de simulações e experimentos.Um desses projetos alcançou melhorias pequenas, mas significativas, na eficiência do motor, mantendo a mesma temperatura operacional.
Lu et al.17 usaram o método do circuito magnético equivalente em combinação com o modelo de Boglietti para estimar as perdas de ferro no eixo de um motor de indução.Os autores assumem que a distribuição da densidade do fluxo magnético em qualquer seção transversal dentro do motor do eixo é uniforme.Eles compararam seu método com os resultados da análise de elementos finitos e modelos experimentais.Este método pode ser usado para análise expressa de IM, mas sua precisão é limitada.
18 apresenta vários métodos para analisar o campo eletromagnético de motores de indução linear.Entre eles, são descritos métodos para estimar perdas de potência em trilhos reativos e métodos para prever o aumento de temperatura de motores de indução linear de tração.Esses métodos podem ser usados para melhorar a eficiência de conversão de energia de motores de indução linear.
Zabdur et ai.19 investigaram o desempenho de camisas de resfriamento usando um método numérico tridimensional.A camisa de resfriamento usa água como principal fonte de refrigerante para o IM trifásico, o que é importante para a potência e as temperaturas máximas necessárias para o bombeamento.Ripel et ai.20 patentearam uma nova abordagem para sistemas de refrigeração líquida chamada refrigeração laminada transversal, na qual o refrigerante flui transversalmente através de regiões estreitas formadas por orifícios entre si laminação magnética.Deriszade et ai.21 investigaram experimentalmente o resfriamento de motores de tração na indústria automobilística utilizando uma mistura de etileno glicol e água.Avalie o desempenho de várias misturas com CFD e análise de fluido turbulento 3D.Um estudo de simulação de Boopathi et al.22 mostrou que a faixa de temperatura para motores refrigerados a água (17-124°C) é significativamente menor do que para motores refrigerados a ar (104-250°C).A temperatura máxima do motor de alumínio refrigerado a água é reduzida em 50,4% e a temperatura máxima do motor PA6GF30 refrigerado a água é reduzida em 48,4%.Bezukov et al.23 avaliaram o efeito da formação de incrustações na condutividade térmica da parede do motor com um sistema de refrigeração líquida.Estudos demonstraram que um filme de óxido de 1,5 mm de espessura reduz a transferência de calor em 30%, aumenta o consumo de combustível e reduz a potência do motor.
Tanguy et al.24 realizaram experimentos com diversas vazões, temperaturas do óleo, velocidades de rotação e modos de injeção para motores elétricos utilizando óleo lubrificante como refrigerante.Uma forte relação foi estabelecida entre a taxa de fluxo e a eficiência geral do resfriamento.Ha et al.25 sugeriram o uso de bicos gotejadores como bicos para distribuir uniformemente o filme de óleo e maximizar a eficiência de resfriamento do motor.
Nandi et al.26 analisaram o efeito de tubos de calor planos em forma de L no desempenho do motor e no gerenciamento térmico.A parte do evaporador do tubo de calor é instalada na carcaça do motor ou enterrada no eixo do motor, e a parte do condensador é instalada e resfriada pela circulação de líquido ou ar.Bellettre et ai.27 estudaram um sistema de resfriamento sólido-líquido PCM para um estator de motor transiente.O PCM impregna as cabeças de enrolamento, diminuindo a temperatura do ponto quente armazenando energia térmica latente.
Assim, o desempenho do motor e a temperatura são avaliados usando diferentes estratégias de resfriamento, veja a fig.3. Estes circuitos de resfriamento são projetados para controlar a temperatura dos enrolamentos, placas, cabeças de enrolamento, ímãs, carcaça e placas finais.
Os sistemas de refrigeração líquida são conhecidos por sua eficiente transferência de calor.No entanto, bombear líquido de arrefecimento ao redor do motor consome muita energia, o que reduz a potência efetiva do motor.Os sistemas de refrigeração a ar, por outro lado, são um método amplamente utilizado devido ao seu baixo custo e facilidade de atualização.No entanto, ainda é menos eficiente do que os sistemas de refrigeração líquida.É necessária uma abordagem integrada que possa combinar o alto desempenho de transferência de calor de um sistema refrigerado a líquido com o baixo custo de um sistema refrigerado a ar sem consumir energia adicional.
Este artigo lista e analisa as perdas de calor na AD.O mecanismo desse problema, bem como o aquecimento e resfriamento dos motores de indução, é explicado na seção Perda de calor em motores de indução através de Estratégias de resfriamento.A perda de calor do núcleo de um motor de indução é convertida em calor.Portanto, este artigo aborda o mecanismo de transferência de calor no interior do motor por condução e convecção forçada.A modelagem térmica de IM usando equações de continuidade, equações de Navier-Stokes/momentum e equações de energia é relatada.Os pesquisadores realizaram estudos térmicos analíticos e numéricos de IM para estimar a temperatura dos enrolamentos do estator com o único objetivo de controlar o regime térmico do motor elétrico.Este artigo enfoca a análise térmica de IMs resfriados a ar e a análise térmica de IMs integrados resfriados a ar e resfriados a água usando modelagem CAD e simulação ANSYS Fluent.E as vantagens térmicas do modelo melhorado integrado de sistemas refrigerados a ar e refrigerados a água são profundamente analisadas.Conforme mencionado acima, os documentos aqui listados não são um resumo do estado da arte no campo de fenômenos térmicos e resfriamento de motores de indução, mas indicam muitos problemas que precisam ser resolvidos para garantir a operação confiável dos motores de indução .
A perda de calor é geralmente dividida em perda de cobre, perda de ferro e perda por fricção/mecânica.
As perdas de cobre são o resultado do aquecimento Joule devido à resistividade do condutor e podem ser quantificadas como 10,28:
onde q̇g é o calor gerado, I e Ve são as correntes e tensões nominais, respectivamente, e Re é a resistência do cobre.
A perda de ferro, também conhecida como perda parasitária, é o segundo principal tipo de perda que causa histerese e perdas por correntes parasitas em AM, causadas principalmente pelo campo magnético variável no tempo.São quantificados pela equação estendida de Steinmetz, cujos coeficientes podem ser considerados constantes ou variáveis dependendo das condições de operação10,28,29.
onde Khn é o fator de perda de histerese derivado do diagrama de perda de núcleo, Ken é o fator de perda de corrente parasita, N é o índice harmônico, Bn e f são a densidade de fluxo de pico e a frequência da excitação não senoidal, respectivamente.A equação acima pode ser ainda mais simplificada da seguinte forma10,29:
Entre eles, K1 e K2 são o fator de perda de núcleo e perda por corrente parasita (qec), perda por histerese (qh) e perda por excesso (qex), respectivamente.
Carga de vento e perdas por atrito são as duas principais causas de perdas mecânicas em IM.As perdas por vento e fricção são 10,
Na fórmula, n é a velocidade de rotação, Kfb é o coeficiente de perdas por atrito, D é o diâmetro externo do rotor, l é o comprimento do rotor, G é o peso do rotor 10.
O principal mecanismo de transferência de calor dentro do motor é por condução e aquecimento interno, conforme determinado pela equação de Poisson30 aplicada a este exemplo:
Durante a operação, após um certo ponto no tempo em que o motor atinge o estado estacionário, o calor gerado pode ser aproximado por um aquecimento constante do fluxo de calor da superfície.Portanto, pode-se supor que a condução dentro do motor seja realizada com a liberação de calor interno.
A transferência de calor entre as aletas e a atmosfera circundante é considerada convecção forçada, quando o fluido é forçado a se mover em uma determinada direção por uma força externa.A convecção pode ser expressa como 30:
onde h é o coeficiente de transferência de calor (W/m2 K), A é a área da superfície e ΔT é a diferença de temperatura entre a superfície de transferência de calor e o refrigerante perpendicular à superfície.O número de Nusselt (Nu) é uma medida da proporção de transferência de calor por convecção e condução perpendicular ao limite e é escolhido com base nas características do fluxo laminar e turbulento.De acordo com o método empírico, o número de Nusselt do fluxo turbulento é geralmente associado ao número de Reynolds e ao número de Prandtl, expresso como 30:
onde h é o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m2 K), l é o comprimento característico, λ é a condutividade térmica do fluido (W/m K) e o número de Prandtl (Pr) é uma medida da razão de o coeficiente de difusão de momento para a difusividade térmica (ou velocidade e espessura relativa da camada limite térmica), definido como 30:
onde k e cp são a condutividade térmica e o calor específico do líquido, respectivamente.Em geral, ar e água são os refrigerantes mais comuns para motores elétricos.As propriedades líquidas do ar e da água à temperatura ambiente são mostradas na Tabela 1.
A modelagem térmica IM é baseada nas seguintes suposições: estado estacionário 3D, fluxo turbulento, ar é um gás ideal, radiação desprezível, fluido newtoniano, fluido incompressível, condição sem deslizamento e propriedades constantes.Portanto, as seguintes equações são usadas para cumprir as leis de conservação de massa, momento e energia na região líquida.
No caso geral, a equação de conservação de massa é igual ao fluxo de massa líquido para dentro da célula com líquido, determinado pela fórmula:
De acordo com a segunda lei de Newton, a taxa de variação do momento de uma partícula líquida é igual à soma das forças que atuam sobre ela, e a equação geral de conservação do momento pode ser escrita na forma vetorial como:
Os termos ∇p, ∇∙τij e ρg na equação acima representam pressão, viscosidade e gravidade, respectivamente.Meios de resfriamento (ar, água, óleo, etc.) usados como refrigerantes em máquinas são geralmente considerados newtonianos.As equações mostradas aqui incluem apenas uma relação linear entre tensão de cisalhamento e um gradiente de velocidade (taxa de deformação) perpendicular à direção de cisalhamento.Considerando viscosidade constante e fluxo constante, a equação (12) pode ser alterada para 31:
De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a taxa de mudança na energia de uma partícula líquida é igual à soma do calor líquido gerado pela partícula líquida e a potência líquida produzida pela partícula líquida.Para um fluxo viscoso compressível newtoniano, a equação de conservação de energia pode ser expressa como31:
onde Cp é a capacidade térmica a pressão constante, e o termo ∇ ∙ (k∇T) está relacionado à condutividade térmica através do limite da célula líquida, onde k denota a condutividade térmica.A conversão de energia mecânica em calor é considerada em termos de \(\varnothing\) (ou seja, a função de dissipação viscosa) e é definida como:
Onde \(\rho\) é a densidade do líquido, \(\mu\) é a viscosidade do líquido, u, v e w são os potenciais da direção x, y, z da velocidade do líquido, respectivamente.Este termo descreve a conversão de energia mecânica em energia térmica e pode ser ignorado porque só é importante quando a viscosidade do fluido é muito alta e o gradiente de velocidade do fluido é muito grande.No caso de fluxo constante, calor específico constante e condutividade térmica, a equação de energia é modificada da seguinte forma:
Essas equações básicas são resolvidas para fluxo laminar no sistema de coordenadas cartesianas.No entanto, como muitos outros problemas técnicos, a operação de máquinas elétricas está associada principalmente a fluxos turbulentos.Portanto, essas equações são modificadas para formar o método de média de Reynolds Navier-Stokes (RANS) para modelagem de turbulência.
Neste trabalho, foi escolhido o programa ANSYS FLUENT 2021 para modelagem CFD com as condições de contorno correspondentes, como o modelo considerado: um motor assíncrono com refrigeração a ar com capacidade de 100 kW, o diâmetro do rotor 80,80 mm, o diâmetro do estator 83,56 mm (interno) e 190 mm (externo), um entreferro de 1,38 mm, o comprimento total de 234 mm, a quantidade , a espessura das nervuras 3 mm..
O modelo do motor refrigerado a ar do SolidWorks é então importado para o ANSYS Fluent e simulado.Além disso, os resultados obtidos são verificados para garantir a precisão da simulação realizada.Além disso, um IM integrado refrigerado a ar e água foi modelado usando o software SolidWorks 2017 e simulado usando o software ANSYS Fluent 2021 (Figura 4).
O design e as dimensões deste modelo são inspirados na série de alumínio Siemens 1LA9 e modelados no SolidWorks 2017. O modelo foi ligeiramente modificado para atender às necessidades do software de simulação.Modifique modelos CAD removendo peças indesejadas, removendo filetes, chanfros e muito mais ao modelar com o ANSYS Workbench 2021.
Uma inovação de design é a camisa d'água, cujo comprimento foi determinado a partir dos resultados da simulação do primeiro modelo.Algumas alterações foram feitas na simulação da jaqueta d'água para obter os melhores resultados ao usar a cintura no ANSYS.Várias partes do IM são mostradas na fig.5a–f.
(A).Núcleo do rotor e eixo IM.(b) Núcleo do estator IM.(c) Enrolamento do estator IM.(d) Moldura externa do MI.(e) Jaqueta de água IM.f) combinação de modelos IM refrigerados a ar e água.
O ventilador montado no eixo fornece um fluxo de ar constante de 10 m/s e uma temperatura de 30 °C na superfície das aletas.O valor da frequência é escolhido aleatoriamente dependendo da capacidade da pressão arterial analisada neste artigo, que é maior do que a indicada na literatura.A zona quente inclui o rotor, o estator, os enrolamentos do estator e as barras da gaiola do rotor.Os materiais do estator e do rotor são de aço, os enrolamentos e as hastes da gaiola são de cobre, a estrutura e as nervuras são de alumínio.O calor gerado nessas áreas é devido a fenômenos eletromagnéticos, como o aquecimento Joule quando uma corrente externa passa por uma bobina de cobre, bem como mudanças no campo magnético.As taxas de liberação de calor dos vários componentes foram retiradas de várias literaturas disponíveis para um IM de 100 kW.
IMs integrados refrigerados a ar e refrigerados a água, além das condições acima, também incluíam uma camisa de água, na qual as capacidades de transferência de calor e os requisitos de potência da bomba foram analisados para várias taxas de fluxo de água (5 l/min, 10 l/min e 15 l/min).Essa válvula foi escolhida como válvula mínima, pois os resultados não se alteram significativamente para vazões abaixo de 5 L/min.Além disso, uma vazão de 15 L/min foi escolhida como valor máximo, pois a potência de bombeamento aumentou significativamente apesar do fato de que a temperatura continuou caindo.
Vários modelos de IM foram importados para o ANSYS Fluent e posteriormente editados usando o ANSYS Design Modeler.Além disso, uma carcaça em forma de caixa com dimensões de 0,3 × 0,3 × 0,5 m foi construída em torno do AD para analisar o movimento do ar ao redor do motor e estudar a remoção de calor para a atmosfera.Análises semelhantes foram realizadas para IMs integrados refrigerados a ar e água.
O modelo IM é modelado usando métodos numéricos CFD e FEM.As malhas são construídas em CFD para dividir um domínio em um certo número de componentes para encontrar uma solução.Malhas tetraédricas com tamanhos de elementos apropriados são usadas para a geometria complexa geral dos componentes do motor.Todas as interfaces foram preenchidas com 10 camadas para obter resultados precisos de transferência de calor de superfície.A geometria da grade de dois modelos MI é mostrada na Fig. .6a, b.
A equação da energia permite estudar a transferência de calor em várias áreas do motor.O modelo de turbulência K-epsilon com funções de parede padrão foi escolhido para modelar a turbulência em torno da superfície externa.O modelo leva em consideração a energia cinética (Ek) e a dissipação turbulenta (épsilon).Cobre, alumínio, aço, ar e água foram selecionados por suas propriedades padrão para uso em suas respectivas aplicações.As taxas de dissipação de calor (consulte a Tabela 2) são fornecidas como entradas e as diferentes condições da zona da bateria são definidas para 15, 17, 28, 32. A velocidade do ar sobre a caixa do motor foi definida para 10 m/s para ambos os modelos de motor e em Além disso, três taxas de água diferentes foram consideradas para a camisa de água (5 l/min, 10 l/min e 15 l/min).Para maior precisão, os resíduos de todas as equações foram iguais a 1 × 10–6.Selecione o algoritmo SIMPLE (Método Semi-Implicit para Equações de Pressão) para resolver as equações Navier Prime (NS).Após a conclusão da inicialização híbrida, a configuração executará 500 iterações, conforme mostrado na Figura 7.
Horário da postagem: 24 de julho de 2023