Cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu động cơ vai trò của mô phỏng nhiệt VI

- phụ thuộc vào trải nghiệm của người dùng đối với quá trình sản xuất vàvật liệu được sử dụng và do đó có xu hướng trở nên rất không chính xác khi thửmột cái gì đó mới trong thiết kế - K

Cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu động cơ Vai trò của mô phỏng

nhiệt

Dr David Staton Motor Design Ltd dave.staton@motor-design.com

 Mircea Popescu (Consultancy)

 Douglas Hawkins (Software Development &

Consultancy)

 Gyula Vainel (Motor Design Engineer)

 Lyndon Evans (Software Development)

 James Goss (EngD – Motor-LAB)

 Lilo Bluhm (Office Manager)

 Many University Links:

 Sponsor 3 Students in UK at present

 Many links with universities

throughout world

 Bristol, City, Edinburgh, Mondragon

Sheffield, Torino, …

Dave Staton

Apprentice/Electrician - Coal Mining Industry (1977 - 1984)

– BSc in Electrical Engineering at Trent Polytechnic (Nottingham)

PhD at University of Sheffield (1984 - 1988)

– CAD of Permanent Magnet DC Motors (with GEC small machines)

– 95% electromagnetic aspects and less than 5% on thermal aspects

Design Engineer - Thorn-EMI CRL (1988-1989)

– design of electric motors for Kenwood range of food processors

Research Fellow - SPEED Laboratories (1989 - 1995)

– help develop SPEED electric motor design software

– predominantly on electromagnetic aspects

Control Techniques (part of Emerson Electric) (1995 - 1998)

– design of servo motors

– More involved in thermal analysis as we were developing radically new motor constructions (segmented laminations) that we had no previous experience.

Set up Motor Design Ltd in 1998 to develop heat transfer

software for electric machine simulation

– there was no commercial software for thermal analysis of motors

– such analysis was becoming more important in the design process

(volume/weight minimisation, energy efficiency, etc.)

Given many courses on motor design and thermal

analysis of electric machines worldwide

Motor Design Ltd (MDL)

 set up in 1998 to develop software for design

of electric motors and provide motor design consulting and training

 distribute SPEED, Motor-CAD, FLUX and

PORTUNUS software

 complete package for electric motor and drive

simulation

 software package also used in our consulting

work which helps with development

Thiết kế nhiệt và điện từ

Theo truyền thống trong động cơ điện, thiết kế

nhiệtthiết kế ít được chú ý hơn nhiều so vớithiết

▪ Phần mềm FEA và CFD đang bắt đầu có các tính năngbao gồm để giúp thiết lập động cơ điện dễ dàng hơnmô hình nhiệt

Cũng có tình trạng tương tự trong việc làm mát đồ điện tử

- Các nhà thiết kế điện tử có xu hướng có một điện tử

nền tảng với ít kiến thức về truyền nhiệt

Nhiệt độ của động cơ là giới hạn cuối cùng về hiệu suất vàcần được coi trọng như nhau đối với thiết kế điện từ

- Tuổi thọ của động cơ phụ thuộc vào nhiệt độ cuộn dây

1M

100 K 10K 1K

100

Class A Class B

Class H Class F

Total winding temp [deg C]

60 120 180 240

Cần phân tích nhiệt củaxe

máy điện

- phụ thuộc vào trải nghiệm của người dùng đối với quá trình sản xuất vàvật liệu được sử dụng và do đó có xu hướng trở nên rất không

chính xác khi thửmột cái gì đó mới trong thiết kế

- Không cho nhà thiết kế biết nơi cần tập trung nỗ lực thiết kếđể giảm nhiệt độ

Cần kết hợp các phương pháp phân tích và phương pháp số

- Nhiều ứng dụng không có hoạt động ở trạng thái ổn định để có đượcthời gian tính toán quá độ hợp lý các kỹ thuật mạch gộp làcần thiết

- CFD / FEA rất hữu ích để giúp thiết lập các mô hình chính xác

▪ Phần mô hình tốt nhất ví dụ truyền nhiệt qua cuộn dây, mô hình quạt, v.v.

Cần phân tích nhiệt củaxe

máy điện

Có một yêu cầu đối với động cơ nhỏ hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn

đểmột thiết kế tối ưu hóa là bắt buộc

- Tổn thất phụ thuộc vào nhiệt độ và nhiệt độ trên tổn thấtPhương pháp định cỡ đơn giản dựa trên các đầu vào như giới hạn dòng điện quanh comật độ không tốt cho việc tối ưu hóa (xem vài trang trình bày tiếp

theo)

Phương pháp định cỡ động cơ truyền thống

định cỡ dựa trên một tham số

- khả năng chịu nhiệt

- hệ số truyền nhiệt của nhà ở

– thử nghiệm trên các động cơ hiện có

– - dữ liệu danh mục đối thủ cạnh tranh

Quy tắc ngón tay cái điển hình Đối lưu không khí tự nhiên

– h = 5-10 W/(m 2 C) Đối lưu cưỡng bức không khí

– h =10-300 W/(m 2 C) Đối lưu cưỡng bức chất lỏng

– h = 50-20000 W/(m 2 C)

• Nhiều giá trị có thể có khiến trải nghiệm trong quá khứ trở nên rất quan

trọng

• Nếu không, thiết kế sẽ không có kích thước chính xác

• Giá trị có thể không hợp lệ nếu thay đổi quy trình sản xuất, vật liệu, v.v.•

• Các bảng lấy từ: “SPEED Electric Motors”, TJE Miller

Phân tích nhiệt số

Hai loại cơ bản có sẵn để chia nhỏ vấn đề thành phần tử nhỏ hoặckhối lượng và nhiệt độ / lưu lượng được giải quyết:

– Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)

▪ Hữu ích để tính toán chính xác truyền nhiệt dẫn

– Động lực học chất lỏng tính toán (CFD)

 Mô phỏng dòng chất lỏng liên quan đến giải pháp của một tập hợp

cáctuyến tính, bậc hai, phương trình đạo hàm riêng - bảo toànphương trình (vận tốc, áp suất và nhiệt độ)

 Nhiều trang chiếu CFD Thông thạo là từVí

dụ từ Đại học Nottingham

FEA

CFD

Bộ giải FEA nhiệt tích hợp Motor-CAD

• Chỉ cần vài giây để tạo lưới và tính toán

• Giúp cải thiện độ chính xác thông qua hiệu chuẩn mô hình

phân tích

- Nhưng dự đoán xu hướng và

hình dung về dòng chảy rất hữu ích

Phần mềm Motor-CAD

• Gói phân tích mạng phân tíchdành

riêng cho phân tích nhiệt củađộng

cơ điện và máy phát điện

– - hình học đầu vào bằng trình chỉnh sửa

mát và tạo điều kiện tối ưu hóa

• • phân tích điều gì-nếu & độ nhạy

Các loại động cơ Motor-CAD

 ➢ Nam châm vĩnh viễn không chổi than

 ➢ Rôto bên trong và bên ngoài

 ➢ Cảm ứng / Không đồng bộ

 ➢ 1 và 3 pha

 ➢ Chuyển đổi miễn cưỡng

 Nam châm vĩnh cửu DC

 ➢ Đồng bộ trường vết thương

 Claw pole

Các loại làm mát

Motor-CAD bao gồm các mô hình đã được

chứng minh cho mộtnhiều loại làm mát

- Đối lưu tự nhiên (TENV)

 nhiều kiểu thiết kế nhà ở

- Đối lưu cưỡng bức - (TEFC)

 nhiều kiểu thiết kế kênh vây

- Thông qua hệ thống thông gió

 ống dẫn làm mát rôto và stato

- Mở tấm chắn cuối làm mát

- Áo khoác nước

nhiều kiểu thiết kế (ống dẫn hướng trục và chu vi)

▪ áo nước stato và rôto

Phân tích trạng thái ổn định & thoáng qua

• Một số ứng dụng ở trạng thái ổn định và một số hoạt

động với tải chu kỳ nhiệm vụ thoáng qua phức tạp

Mô hình mạch nhiệt

tương tự như mạng điện nên dễ

hiểu bởi các kỹ sư điện

– điện trở nhiệt đúng hơn hơn

điện trở

– nguồn điện hơn là nguồn

dòng

– điện dung nhiệt đúng

hơnhơn tụ điện(không hiển

Mô hình mạch nhiệt

điện trở nhiệt đặt trong mạch để mô hình hóa

đường dẫn truyền nhiệt trong máy

– dẫn điện (R = L / kA)

 ▪ diện tích đường đi (A) và chiều dài (L) từ hình học

 ▪ độ dẫn nhiệt (k) của vật liệu

– đối lưu (R = 1/hA)

 hệ số truyền nhiệt (h - W / m 2 C) theo kinh nghiệmcông thứcphân tích không thứ nguyên (tương quan)

– nhiều mối tương quan đã được chứng minh rõ ràng cho tất cảcác loại hình học trongtài liệu kỹ thuật truyền nhiệt

– bức xạ (R = 1/hA)

 h = σ ε1 F1-2 (T14 – T24)/ (T1 – T2)

 độ phát xạ (ε1) & hệ số hiển thị(F1-2) từ bề mặt hoàn thiện & hình học

công suất đầu vào tại các nút nơi xảy ra tổn

thấtđiện dung nhiệt để phân tích thoáng qua

- Điện dung = Trọng lượng × Nhiệt dung riêng

Định luật Ohms truyền nhiệt:

Trong một mạng nhiệt, dòng nhiệt được cho bởi:

Các vấn đề quan trọng trong phân tích nhiệtđộng cơ điện

Dẫn điện, đối lưu và bức xạ

Tổn hao

Winding Heat Transfer

nhiệt trở bề mặt

Độ chính xác và hiệu chuẩn

Dẫn truyền nhiệt

Chế độ truyền nhiệt ở thể rắn do dao động của phân tử

Vật dẫn điện tốt cũng là vật dẫn nhiệt tốt

– - Muốn chất cách điện tốt là chất dẫn nhiệt tốt

 ▪ nghiên cứu tài liệu để cố gắng đạt được điều này

– - Kim loại có độ dẫn nhiệt lớn do được sắp xếp trật tự Cấu trúc tinhthể

 ▪ k thường nằm trong khoảng 15 - 400 W / m / C

– Chất cách điện rắn không có cấu trúc tinh thể được sắp xếp trật tự vàthường xốp

 k thường nằm trong khoảng 0,1 - 1W / m / C (tốt hơn không khí với k ≈ 0.026W/m/C)

Điện trở nhiệt dẫn được tính bằng cách sử dụng R = L / kA

– Chiều dài đường dẫn (L) và diện tích (A) từ hình học, ví dụ chiều rộng và diện tích răng

– Độ dẫn nhiệt (k) của vật liệu, ví dụ như của thép điện đểrăng

Chỉ có độ phức tạp là trong việc tính toán L, A và k hiệu quả

chocác thành phần hỗn hợp như cuộn dây, ổ trục, v.v

- Động cơ-CAD được hưởng lợi từ nghiên cứu sử dụng phân tích và thử nghiệm số

để phát triển các mô hình đáng tin cậy cho các thành phần phức tạp như vậy

Truyền nhiệt đối lưu

Chế độ truyền nhiệt giữa bề mặt và chất lỏng dosự đan xen của

chất lỏng ngay sát bề mặt(dẫn ở đây) với phần còn lại của chất lỏng

do chất lỏng chuyển động

– Đối lưu tự nhiên - chuyển động của chất lỏng do lực nổi phát

sinhtừ sự thay đổi mật độ của chất lỏng xung quanh bề mặt

– - Đối lưu cưỡng bức - chất lỏng chuyển động do ngoại lực (quạt vàmáy bơm

Hai loại dòng chảy

– - Dòng chảy Laminar, dòng chảy sắp xếp hợp lý ở vận tốc thấp hơn

– - Dòng chảy rối, xoáy ở vận tốc cao hơn

 Truyền nhiệt tăng cường so với dòng chảy tầng nhưng lớn hơngiảm áp suất

Điện trở nhiệt đối lưu được tính bằng cách sử dụng:

RC = 1/ (A h) [C/W]

A = diện tích bề mặt [m 2 ] h = hệ số truyền nhiệt đối lưu [W/m 2 /C]

Cần dự đoán h - quy tắc ngón tay cái, phân tích không thứ nguyên, CFD?

Hệ số truyền nhiệt đối lưu

hCcó thể được tính toán bằng cách sử dụng các tương quan thực nghiệm dựa trênsố không thứ nguyên (Re, Gr, Pr, Nu)

– Chỉ cần tìm mối tương quan với một hình học tương tự và làm mátgõ vào cái đang được nghiên cứ

 ▪ Xi lanh, tấm phẳng, kênh mở / kín, v.v.

– Số không có thứ nguyên cho phép sử dụng cùng một công

thứcvới các chất lỏng và kích thước khác nhau với những chất lỏng được sử dụng trongthí nghiệm ban đầu

– Hàng trăm mối tương quan có sẵn trong tài liệu kỹ thuậtcho phép các kỹ sư thực hiện phân tích nhiệt của hầu hếtbất kỳ hình dạng của thiết bị

 Động cơ-CAD tự động chọn phù hợp nhấtmối tương quan phù hợp với loại làm mát và bề mặthình dạng

Phân tích đối lưu Số không có thứ nguyên

Các số không thứ nguyên là hàm của các thuộc tính chất

lỏng,kích thước (chiều dài đặc trưng), vận tốc chất lỏng (đối

lưu cưỡng bức),nhiệt độ (đối lưu tự nhiên) và trọng lực (tự

θ = nhiệt độ bề mặt đối với chất lỏng [C]

L = chiều dài đặc trưng của bề mặt [m]

β = hệ số giãn nở lập phương của chất lỏng [1/C]

Tương quan đối lưu tự nhiên và cưỡng bức

• • Đối lưu tự nhiên hiện diện trên hầu hết các bề mặt

– Hiện diện ngay cả trên các bề mặt được thiết kế để đối lưu cưỡng bức

• ví dụ: máy TEFC có cánh tản nhiệt hướng trục (ở tốc độ thấp quạt sẽ

không cung cấpnhiều không khí cưỡng bức và đối lưu tự nhiên sẽ chiếm ưuthế)

– - Tập hợp lớn các mối tương quan thường được yêu cầu cho các hình dạngphức tạp

• Đối với các hình dạng rất phức tạp, các khu vực tương quan tổng hợptrung bình làđược sử dụng khi hình dạng phức tạp (ví dụ như nhà ở cóvây) được chia thànhtập hợp các hình dạng đơn giản hơn mà các tươngquan đối lưu được biết đến

– Ví dụ, một hình trụ có các vây dọc trục được chia thành các hình trụkhác nhauvà mở các phần kênh vây theo hướng khác nhau

– Một khía cạnh tích cực là nếu các vây cực nhỏ được gắn vàohìnhtrụ, các kết quả tương tự được đưa ra đối với tương quan hình trụ

• Đối lưu cưỡng bức xuất hiện trên các bề mặt có chuyển động của chất lỏng doquạt hoặc máy bơm (hoặc chuyển động của thiết bị hoặc gió)

• Cần có một tập hợp tương quan hạn chế hơn để tính toán cưỡng bứcđốilưu trong máy điện (Tấm phẳng, Kênh Vây mở,Kênh kín, Airgap xoay, Làmmát không gian cuối)

Dạng chung cho các mối tương quan đối lư

Sự đối lưu tự nhiên

Dạng tổng quát của tương quan đối lưu tự nhiên:

Nu = a (GrPr)b

– - a & b là hằng số phù hợp đường cong

– - Chuyển từ dòng chảy tầng sang dòng chảy hỗn loạn:

107 < GrPr < 109 (GrPr = Ra – Rayleigh number)

Đối lưu cưỡng bức

Dạng tổng quát của tương quan đối lưu đối với đối lưu cưỡng bức:

Nu = a (Re)b (Pr)c

– - a, b & c là các hằng số phù hợp với đường cong

– - Dòng chảy bên trong tầng / chuyển tiếp hỗn loạn R e ≈ 2300 (hoàn toàn hỗn loạn R e > 5 x 10 4 )

– - Dòng chảy bên ngoài tầng / chuyển tiếp hỗn loạn R e ≈ 5 x 10 5

Xi lanh nằm ngang (Đối lưu tự nhiên)

Công thức cho số Nusselt trung bình của một hàng

Xylanh dọc (Đối lưu tự nhiên)

Công thức cho số Nusselt trung bìnhcủa

Đặc tính chất lỏng ở nhiệt độ trung bình của

màng(trung bình của chất lỏng bề mặt và khối

lượng lớnnhiệt độ)

Tấm phẳng dọc (Đối lưu Nat)

Một công thức cho Nusselt trung

Tấm phẳng ngang (Nat Conv)

của màng(trung bình của chất lỏng bề

mặt và khối lượng lớnnhiệt độ)

phía trên

thấp hơn

Nhà ở Servo ngang (Nat Conv)

Trung bình của những điều sau:

– - Xylanh ngang × Cắt góc [%] / 100

– - Ống vuông nằm ngang × {1 - Cắt góc [%] / 100} Khi đường cắt góc tiếp cận 100% thì hình trụsự tương

quan chiếm ưu thế và khi nó tiến gần đến 0% ốngsự tương quan chiếm ưu thế

Kênh vây dọc (N chuyển đổi)

Tham khảo [1] đưa ra công thức cho số Nusselt

củacác kênh dọc hình chữ u (dòng chảy tầng):

h = N u × k / r

a = channel aspect ratio fin_spacing/fin_depth

r = Characteristic Length (fin hydraulic radius)

= 2 × fin_depth × fin_spacing /(2 × fin_depth + fin_spacing)

L = chiều cao vây

Các đặc tính chất lỏng được đánh giá ở nhiệt độ thành (ngoại trừ thể tíchHệ

số giãn nở được đánh giá ở nhiệt độ chất lỏng trung bình)

[1] Van De Pol, D.W & Tierney, J.K : Free Convection Nusselt Number for Vertical U-Shaped Channels, Trans ASME, Nov 1973.

r r u

Vây ngangKênh(Nat

Conv)

Tham khảo [1] đưa ra công thức cho

Nusseltsố kênh ngang hình chữ u(dòng

chảy tầng):

h = N u(s) × k / s

s = khoảng cách vây được sử dụng làm kích thước đặc trưng

[1] Jones, C.D., Smith, L.F : Optimum Arrangement of Rectangular Fins on Horizontal Surfaces for Free-Convection Heat Transfer, Trans ASME, Feb 1970.

Kênh vây ngang

1.7 0.44

7640 ( ) 0.00067 ( ) ( ) 1 exp

Các động cơ có vây hướng trục ở trên được thiết kế cho quạt gắn trên trục (TEFC)Khi được sử dụng như một bộ truyền động tốc độ thay đổi ở tốc độ thấp, ít bị ép buộcđối lưu khi đối lưu tự nhiên chiếm ưu thế

- Do đó chúng ta phải có khả năng tính toán các bề mặt đó có đối lưu tự nhiên

Sử dụng các phép tính tổng hợp dựa trên giá trị trung bình của tất cả cáchình dạng được tìm thấy ở hình dạng phức tạp hơn có thể cho kết quả chính xác

Thỏa thuận tốt giữa Motor-CAD với dữ liệu mặc định và được đodữ liệu cho một loạt động cơ TEFC hoạt động ở tốc độ 0 (công việc thực hiệnra bởi Boglietti tại Politecnico di Torino) - xem biểu đồ ở trên

Nhà ở có vây hướng trục với đối lưu tự

nhiên

Tính chất lỏng ở nhiệt độ trung bình của màng (trung bình

của bề mặtvà nhiệt độ chất lỏng khối lượng lớn)

[1] Incropera, F.P & DeWitt, D.P.: Introduction to Heat Transfer, Wiley, 1990.

flow

Kênh kèm theoĐối

lưu cưỡng bức

Các công thức sau đây được sử dụng để tính

toán h từ các kênh kèm theo

Re = Dh x Vận tốc chất lỏng / Độ nhớt động học

Dh = Đường kính thủy lực kênh

 Dh = 2 × Khoảng trống [Xi lanh đồng tâm

 Dh = 4 × Diện tích mặt cắt ngang kênh / Chu vi kênh [Kênh hình tròn / hình chữ nhật]

Sự chuyển đổi giữa dòng chảy tầng và dòng chảy hỗn loạn được giả định cho Regiá trị giữa những giá trị đã cho ở trên

Kênh kèm theo (Chuyển đổi bắt buộc)

Dòng chảy Laminar

Xi lanh đồng tâm (thích ứng của công thức cho các tấm song

songbao gồm các hiệu ứng về độ dài lối vào)

- Số hạng thứ 2 trong phương trình trên là hiệu chỉnh độ dài lối vào

tính toán chiều dài lối vào trong đó vận tốc và nhiệt độhồ sơ không được phát triển đầy đủ

Kênh tròn (bao gồm hiệu ứng độ dài lối vào):

Kênh hình chữ nhật (điều chỉnh công thức cho các kênh tròn):

trong đó H / W = Tỷ lệ chiều cao / chiều rộng kênh

2 3

7.49 17.02 22.43 9.94 0.065 1 0.04