Khảo sát trạng thái nhiệt của động cơ không đồng bộ cómạch từ không đối xứng

Trong giới hạn hiện cócần, một dự án đang được phát triển, với mục đích tạo ra một thiết bị chống bức xạđộng cơ điện không đồng bộ có lớp cách điện bằng sứ để vận hành.các giải pháp có

PAPER • OPEN ACCESS

Khảo sát trạng thái nhiệt của động cơ không đồng bộ cómạch từ không đối xứng

To cite this article: V Smetanin et al 2019 IOP Conf Ser.: Mater Sci Eng 643 012032

View the article online for updates and enhancements.

This content was downloaded from IP address 42.113.245.36 on 04/05/2021 at 16:47

Khảo sát trạng thái nhiệt của động cơ không đồng bộvới

một mạch từ không đối xứng

V Smetanin *, V Denisenko, T Ataev and V Lytkin

Electrical machines department, Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia

E-mail: smetanin.vitaliy@urfu.ru

Trừu tượng Công nghệ hiện đại để xử lý các cụm nhiên liệu đã qua sử dụng (SFA) vàchất thải phóng xạ (RW) được sử dụng trong các tế bào bảo vệ bức xạ Trong các điều kiện củatiếp xúc với các trường bức xạ cao, có sự phá hủy dữ dội của các tập hợp khác nhau củathiết bị truyền động làm bằng vật liệu hữu cơ, bao gồm cách điện của cuộn dây động cơ, dẫn đếnthiết bị thường xuyên bị hỏng hóc cần sửa chữa hoặc thay thế Trong giới hạn hiện cócần, một dự án đang được phát triển, với mục đích tạo ra một thiết bị chống bức xạđộng cơ điện không đồng

bộ có lớp cách điện bằng sứ để vận hành.các giải pháp có thể thực hiện để tăng tuổi thọ của động cơ hoạt động dưới ảnh hưởng củacủa trường bức xạ trong buồng bảo vệ bức xạ gấp 4 - 5 lần Hoạt động dưới mức khắc nghiệttình trạng yêu cầu đánh giá về chính động cơ Xem xét việc làm mát không theo tiêu chuẩnhệ thống có tầm quan trọng thiết yếu đối với các dự án như vậy.

1 Giới thiệu

Các bộ phận “Máy điện” và “Kim loại hiếm và vật liệu nano” của UrFU phát triểnđộng cơ không đồng bộ có khả năng hoạt động trong các cài đặt công nghệ cho các mục đích khác nhau dướiđiều kiện tiếp xúc khắc nghiệt với trường bức xạ và nhiệt độ cao hoặc trong môi trường mạnh về mặt hóa

họcMôi trường.Một trong những hướng quan điểm là phát triển động cơ không đồng bộ với không đối xứnglõi từ (AMAMC)

2 Thiết kế AMAMCs

AMAMC có sự khác biệt lớn nhất so với động cơ không đồng bộ nối tiếp Thiết kế mớiđược đề xuất

sử dụng cuộn dây ba pha tập trung hai hàng với bước ngắn bằng 1/3bộ phận cực của máy Bao gồm sáu cuộn dây nguyên khối, cuộn dây này không có giao nhaucác bộ phận phía trước (Hình 1) Việc sử dụng cuộn dây có cuộn dây cứng yêu cầu lõi stato phải có thể tháo rời.Do đó, trong một động cơ thực nghiệm, các răng của stato được tách ra khỏi ách Gắn chặt răngtrong lõi được tạo ra với sự trợ giúp của đuôi bồ câu.Để triệt tiêu các thành phần sóng hài cao hơn của trường chắc chắn phát sinh khi sử dụngcuộn dây tập trung, một phương pháp mới để bù mômen điện từ giả đã đượcđã áp dụng [1] Phương pháp này dựa trên việc triệt tiêu EMF của các sóng hài cao hơn của trường trongthanh rôto của động cơ cảm ứng bằng cách chia lõi stato dọc theo hai phần bằng nhau và tương đốisự dịch chuyển các vùng pha của chúng một góc tương ứng với sự phân chia cực của trườngsóng hài mà thanh rôto phải được triệt tiêu Phương pháp được thực hiện bằng cách thực hiệnrăng có đầu răng cưa không đối xứng

và sự dịch chuyển của chúng so với thân răng trong

hướng ngược nhau Phương pháp triệt tiêu ảnh hưởng của sóng hài cao hơn này được thực hiện trong mộtrôto không vát rãnh Để giảm dòng phân tán dọc trục của cuộn dây stato giữaMột nửa lõi stato, một miếng chèn không từ tính có độ dày 5-8 mm đã được sử dụng.Kể từ thiết kế ADAM, một dự án

về động cơ được điều khiển chống bức xạ của phiên bản thẳng đứng của mộtbộ chiết truyền động của các thiết bị công nghệ có kiểm soát tốc độ để làm việc trong bảo vệ bức xạbuồng xử lý chất thải phóng xạ, công suất 2,2 kw, tốc độ đồng bộ1500 vòng / phút, đã được phát triển Trái ngược với nguyên mẫu đầu tiên, một số thay đổi đã được thực hiện đối vớiThiết kế ADAM: loại bỏ đầu nối tine với chạc stato và buộc bằng đinh tán.Đầu nối được thực hiện trên đường viền của các vùng pha và lõi stato được làm bằng 12 mô-đun,theo số vùng pha của động cơ bốn cực Các cuộn dây của stator tập trungcuộn dây được quấn trực tiếp trên răng của cả hai nửa mô-đun, được ngăn cách bằng một vật liệu không từ tínhmiếng đệm Cách ly của dây đồng và cuộn dây được thực hiện bằng cách sử dụng các vật liệu chống bức xạ từcông ty CJSC Vật liệu cách nhiệt Nhà máy Elinar được ngâm tẩm thêm một hợp chất củanhãn hiệu Eplast-220, PJSC Elektroizolit.Vỏ động cơ được làm bằng thép không gỉ

IP 68 bảo vệ chống lại các tác động bên ngoài Động cơ làlàm bằng nước làm mát Do đó, khung, trong đó lõi stato với cuộn dây được ép, cóáo sơ mi với các phụ kiện đầu vào và đầu ra để cấp nước làm mát Hiệu suất của động cơ theođối với phương pháp bảo vệ khỏi tiếp xúc với môi trường bên ngoài IP 68 giả định rằngthiết kế của nhà ở Về vấn đề này, các tấm chắn ổ trục phía sau được làm

"điếc", tức là động cơ có mộtđầu ra của trục ở tấm chắn phía trước, trong đó một con dấu được áp dụng bằng cách sử dụng đóng gói dựa trên bức xạ-graplex kháng với tải trước lò xo Con dấu được cố định bằng nắp ổ trục bên ngoài Áo khoác củabộ làm mát chất lỏng và các tấm chắn chịu lực của động

cơ có sự trao đổi nhiệt tự nhiên với xung quanhmôi trường hoạt tính hóa học mạnh, nhiệt độ đạt đến +

80 ° C Trong các đơn vị ổ trục, ổ trục40 nhãn hiệu “W 6307-27” của “SKF” được lắp đặt, được đổ đầy mỡ chống bức xạ vớinhiệt độ làm việc tối đa cho phép là + 160 ° C Vòng bi trong tấm chắn phía trước được cố định bởi mộtnắp ổ trục gắn trên bề mặt bên trong của tấm chắn Trong tấm chắn ổ trục phía sau, ổ trục được cố địnhbởi một lò xo sóng hình khuyên, cung cấp khoảng cách nhiệt độ trong quá trình giãn nở nhiệt của rôto Ahộp đấu dây có nắp được lắp kín được hàn với tấm chắn chịu lực phía sau, nơi bức xạ-cáp chống trong một vỏ bọc bằng thép không gỉ mềm dẻo được gắn vào kết nối ren

Hình 1 Răng stato vớicuộn dây pha và lắp rápstator của nguyên mẫu đầu tiêncủa động cơ

bộvớimộtkhông đối xứngmạch từ, phát triểnbởi JSC UETM

Việc sử dụng thiết kế mới của ADAM với cấp bảo vệ IP 68 và làm mát bằng nước yêu cầuđiều chỉnh các phương pháp tính toán điện từ ban đầu, bao gồm cả các phương pháp tính toáncác thông số phân tán mạch từ, dòng không tải và cuộn dây stato được phát triển bởiBộ phận Máy điện dành cho động cơ không đồng bộ với mạch từ không đối xứng, vànghiên cứu tình trạng động cơ nhiệt Phương pháp tính toán nhiệt dựa trên phương phápmạch nhiệt tương đương (ETS) Trong khuôn khổ của kỹ thuật này, một nghiên cứu sơ bộ về nướcbộ làm mát được thực hiện để xác định hệ số truyền nhiệt tương quan với tốc độ dòng chảy củaMôi trường làm mát

3 Tính toán nhiệt của bộ làm mát nước AMAMCs

Tính toán được thực hiện bằng phân tích FEM trong gói Ansys sử dụng Geometry, Meshervà mô-đun CFX của Ansys

Hình 2 cho thấy hình dạng kết quả của một bộ làm mát phẳng tương đương với tính toán được

áp dụnglưới Các vòi phun được đặt theo cách như thể trên một bộ làm mát hình trụ, chúng sẽ được đặt đối diệnnhau (180 độ) và cách nhau về chiều cao Đường kính trong của ống là 10 mm Tạicác cạnh tạo thành "đường nối" của hình trụ, điều kiện biên "tính tuần hoàn" được thiết lập,hoàn toàn cân bằng

bộ làm mát phẳng tương đương với điều kiện làm mát hình trụ

Sau đó, trong mô-đun Ansys Mesher, các lưới tính toán được xây dựng cho hai miền: amiền rắn, vỏ và miền lỏng, nước Tổng số vật phẩm nhận được - 2 578 801cái Các lưới tính toán được thể hiện trong Hình 2

Hình 2 Các lưới tính toán

Trong mô-đun CFX của Ansys, 2 miền đã được tạo - vỏ và nước, và sau đâycác điều kiện biên và các giá trị gần đúng ban đầu đã được thiết lập để xây dựng bài toán:

• Bề mặt làm mát bên ngoài có điều kiện biên thuộc loại "Hệ số truyền nhiệt"với giá trị 15 W /

m * C và nhiệt độ môi trường là 80 ° C;

• • Bề mặt bên trong của thân có điều kiện ranh giới thuộc loại “Tổng nguồn điện” vớigiá trị tương ứng với tổng tổn thất của động cơ đang nghiên cứu;

• • Tại đầu vào nước, một điều kiện biên của loại “Đầu vào” được thiết lập với vận tốc nước là1,0 m / s (hoặc tốc độ dòng thể tích 0,2 lít mỗi giây) và nhiệt độ 32 ° C;

• • Ở đầu ra của cuộn dây, các điều kiện biên của loại "Khám phá" với một người tương đốiáp suất 0 Pa;

Các mẫu trường trong hai phần trung tâm của bộ làm mát được thể hiện trong Hình 3 Sautính toán, các kết quả sau thu được:

Chênh lệch nhiệt độ giữa nước với tốc độ 0,5 m / s ở lối vào bộ làm mátvà ở lối ra: 5,48 ° C;• Tổn thất áp suất nước ở tốc độ 0,5 m / s trong ống là 202 Pa;

• Hệ số truyền nhiệt của thân tàu với nước ở tốc độ 0,5 m / s là 1068 W / (m2 * K)

Hình 4 cho thấy mối quan hệ giữa sự giảm áp suất trong đường dẫn thủy lực của bộ làm mát, nhưcũng như hệ số truyền nhiệt của các bức tường của bộ làm mát phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy của bộ làm mátTrung bình Theo đồ thị, có thể kết luận rằng hệ số truyền nhiệt rất yếubị ảnh hưởng bởi tốc độ dòng chảy của phương tiện, vì vậy bạn có thể tiết kiệm đáng kể khi tạoáp suất trong đường dẫn thủy

Hình 3 Phân bố nhiệt độ của bộ làm mát ở hai phần trung tâm

4 Đánh giá trạng thái nhiệt

Hình 5 cho thấy ETS ADAM dưới giả thiết làm mát đối xứng của các tấm chắn ổ trục vàcác bộ phận phía trước của cuộn dây stato Việc tính toán các hệ số truyền nhiệt và nhiệtđiện trở được thực hiện theo các phương pháp đã phát triển cho máy điện công nghiệp [2].Việc tính toán các điện trở nhiệt của phần rãnh của cuộn dây stato được thực hiện dựa trênkỹ thuật ban đầu được phát triển bởi Khoa "Máy điện" cho động cơ không đồng bộvới một mạch từ không đối xứng Khi đánh giá trạng thái nhiệt của động cơ, sự phụ thuộc củahệ số truyền nhiệt trên tốc độ dòng nước làm mát, được tìm thấy là kết quả của việc tính toánBộ làm mát chất lỏng bằng phương pháp số (xem Hình 4) dựa trên thiết kế thân tàu đã được phát triển, đã được sử dụng Cácnghiệm của hệ phương trình ETS được thực hiện dưới dạng ma trận cho 14 nút trong MathCadMôi trường

Một đặc điểm của chế độ nhiệt khi động cơ làm việc trong buồng bảo vệ bức xạ làsự đốt nóng của

vỏ động cơ từ môi trường bên ngoài, nơi có nhiệt độ cao hơn Trongtính toán nhiệt, độ nóng của vỏ được tính đến một cách xấp xỉ bằng cách tăngnhiệt độ nước ở đầu vào đến bộ làm mát bằng giá trị nhiệt độ gia nhiệt, tương ứng vớitổng dòng nhiệt qua các bề mặt bên ngoài, cả áo khoác của bộ làm mát và các tấm chắn, từmôi trường bên ngoài Độ lớn của các thành phần của dòng chảy này được xác định bằng phương phápxấp xỉ liên tiếp theo chênh lệch nhiệt độ giữa các bề mặt tương ứng và môi trường

Hinh 4.Mối quan hệ của nhiệthệ số chuyển giaovà giảm áp suất trongmát hơn giữadòng chảy của chất làm mát trongkênh 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

α, Wt/m2K;

ΔP, Pa

Qw, l/s α ΔP

Do tiêu thụ thép trên động cơ tăng lên và kích thước được tiết kiệm trong đó nóphù hợp, có thể tạo

ra một hệ thống làm mát hiệu quả và nhỏ gọn Độ lớn củahệ số truyền nhiệt trung bình tại các bề mặt của áo làm mát và các tấm chắn xấp xỉđược xác định bởi sự phụ thuộc thể hiện trong Hình 4 Nghiên cứu trong môi trường mô phỏng cho hữu hạncác yếu tố cho thấy nhiệt độ của áo và cơ thể là như nhau Ở mỗi bước củatính toán, các thông số của nước làm mát và hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vàotốc

độ dòng chảy đã được xác định [6]

Nhiệt độ của phần phía trước của cuộn dây stato (nút 11, Hình 2), xác địnhlựa chọn lớp cách điện của máy, nhiệt độ trung bình của các tấm chắn ổ đỡ (nút 2,Hình 2), xác định sự lựa chọn bôi trơn các

ổ trục, và nhiệt độ nước tại bộ làm mátổ cắm được trình bày trên Hình 6

Hình 5 Mạch nhiệt tương đương của AMAMC

Hình 6 Kết quả tính toánmối quan hệ giữa nhiệt độ vàdòng nước làm mát trong động

cơ, công suất 2,2 kW,1500 vòng / phút

Như phân tích cho thấy kênh làm mát được thiết kế, khuyến nghịlấy 0,05 l / s của tốc độ dòng nước làm mát Việc tăng lượng nước tiêu thụ sẽ không dẫn đếnsự gia tăng đáng kể về hiệu suất động cơ và

sự gia tăng tương ứng trong tuổi thọ do giảmtrong tổn thất điện trong cuộn dây, và không nên giảm tiêu thụ, vì nó dẫn đếntăng quá nhiệt của cuộn dây stato và giảm các đặc tính máy quy định

Tốc độ dòng nước làm mát tăng lên làm giảm nhiệt độ của các thành phần động cơ Các động cơ được sử dụngcách điện của cuộn dây stato, cho phép nhiệt độ gia nhiệt lên đến 180 ° C, trong khi mangmỡ chống bức xạ có nhiệt độ cho phép là 160 ° C được sử dụng Điều này cho phép bạntiết kiệm đáng kể việc tạo ra áp suất cần thiết trong đường dẫn thủy lực, nghĩa là giảm tốc độ của nó,đồng thời duy trì hiệu quả thoát nhiệt cao khỏi bề mặt của bộ làm mát [7]

5 Kết luận

Mức gia nhiệt của cuộn dây không quá 122 ° C và không vượt quá giá trị cho phép của180 ° C để cách nhiệt chống bức xạ, đáp ứng yêu cầu của đặc điểm kỹ thuật vàcung cấp biên độ nhiệt độ cho quá tải có thể xảy ra.Trong các điều kiện nhất định đồng thời tạo ra áp suất cần thiết, bộ làm mát thực hiện thành côngchức năng - sự truyền tổn thất nhiệt từ động cơ cảm ứng.Việc sử dụng tẩm kép hoặc tẩm ba cuộn dây khô với máy sấy trung gian có thể đảm bảorằng tuổi thọ của động cơ không đồng bộ sẽ trong vòng 3 đến 5 năm

0

20

40

60

80

100

120

Qw, l/s

Тwinding Тwater

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Qw, l/s

Tbearing Тinner.air Тshell

Тnode, оС

Тnode, оС

References

[1] Bakubaev B, Denisenko V, Nedzelskiy V 2015 Developing a highly reliable asynchronous

motor with an asymmetric magnetic core for special operating conditions Applied Mechanics

and Materials 792 90-4

[2] Kopylov I P 2005 Electrical machine design 2005 767

[3] Briz F, Degner M, Guerrero J and Diez A 2008 Temperature Estimation in Inverter-Fed

Machines Using High-Frequency Carrier Signal Injection IEEE Transactions on Industry

Applications 44(3) 799-808

[4] Buchholz M 2010 Subspace-Identification zur Modellierung von PEM-Brennstoffzellen-Stacks,

volume 07 of Schriften des Instituts fu¨r Regelungs- und Steuerungssysteme, Universit¨at Karlsruhe (TH) KIT Scientific Publishing, Karlsruhe

[5] Kral C, Habetler T, Harley R, Pirker F, Pascoli G, Oberguggenberger H and Fenz C J 2004

Rotor temperature estimation of squirrel-cage induction motors by means of a combined

scheme of parameter estimation and a thermal equivalent model IEEE Transactions on

Industry Applications 40(4) 1049–57

[6] Kral C, Haumer A and Lee S B 2012 Robust thermal model for the estimation of rotor cage and

stator winding temperatures of induction machines In 20th International Conference on Electrical Machines (ICEM) 1810-6

[7] Rowan T M and Lipo T 1983 A quantitative analysis of induction motor performance

improvement by SCR voltage control IEEE Trans Ind Appl IA-19(4) 545-53

[8] Deleroi W, Woudstra J B and Fahim A A 1989 Analysis and application of three-phase

induction motor voltage controller with improved transient performance IEEE Trans Ind

Appl 25(2) 280-6

[9] Ginart A, Esteller R, Maduro A, Pinero R and Moncada R 1999 High starting torque for AC

SCR controller IEEE Trans Energy Convers 14(3) 553-9

[10] P R N C A S H D A Howey, 2012 Air-gap Convection in Rotating Electrical Machines [11] Lopez S, Cassoret B, Brudny J F, Lefebvre L, Vincent J N Grain 2009 Oriented Steel Assembly

Characterization for the Development of High Efficiency AC Rotating Electrical Machines

IEEE Tran Magn 45(10) 4161-4