एयर-कूल्ड सिस्टम और एकीकृत वॉटर-कूलिंग सिस्टम के संयोजन से इंडक्शन मोटर्स का थर्मल प्रबंधन विश्लेषण

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इंजन की परिचालन लागत और दीर्घायु के कारण, एक उचित इंजन थर्मल प्रबंधन रणनीति बेहद महत्वपूर्ण है।इस लेख ने बेहतर स्थायित्व प्रदान करने और दक्षता में सुधार करने के लिए इंडक्शन मोटर्स के लिए एक थर्मल प्रबंधन रणनीति विकसित की है।इसके अलावा, इंजन कूलिंग विधियों पर साहित्य की व्यापक समीक्षा की गई।मुख्य परिणाम के रूप में, गर्मी वितरण की प्रसिद्ध समस्या को ध्यान में रखते हुए, एक उच्च-शक्ति एयर-कूल्ड एसिंक्रोनस मोटर की थर्मल गणना दी गई है।इसके अलावा, यह अध्ययन वर्तमान जरूरतों को पूरा करने के लिए दो या दो से अधिक कूलिंग रणनीतियों के साथ एक एकीकृत दृष्टिकोण का प्रस्ताव करता है।100 किलोवाट एयर-कूल्ड एसिंक्रोनस मोटर के एक मॉडल और उसी मोटर के एक बेहतर थर्मल प्रबंधन मॉडल का एक संख्यात्मक अध्ययन किया गया है, जहां एयर कूलिंग और एक एकीकृत जल शीतलन प्रणाली के संयोजन के माध्यम से मोटर दक्षता में उल्लेखनीय वृद्धि हासिल की गई है। किया गया।सॉलिडवर्क्स 2017 और एएनएसवाईएस फ्लुएंट 2021 संस्करणों का उपयोग करके एक एकीकृत एयर-कूल्ड और वॉटर-कूल्ड सिस्टम का अध्ययन किया गया था।पारंपरिक एयर-कूल्ड इंडक्शन मोटरों के विरुद्ध तीन अलग-अलग जल प्रवाह (5 एल/मिनट, 10 एल/मिनट, और 15 एल/मिनट) का विश्लेषण किया गया और उपलब्ध प्रकाशित संसाधनों का उपयोग करके सत्यापित किया गया।विश्लेषण से पता चलता है कि विभिन्न प्रवाह दरों (क्रमशः 5 एल/मिनट, 10 एल/मिनट और 15 एल/मिनट) के लिए हमने 2.94%, 4.79% और 7.69% की तापमान में कमी प्राप्त की।इसलिए, परिणाम बताते हैं कि एम्बेडेड इंडक्शन मोटर एयर-कूल्ड इंडक्शन मोटर की तुलना में तापमान को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है।
विद्युत मोटर आधुनिक इंजीनियरिंग विज्ञान के प्रमुख आविष्कारों में से एक है।इलेक्ट्रिक मोटर का उपयोग घरेलू उपकरणों से लेकर वाहनों तक, ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस उद्योगों सहित हर चीज में किया जाता है।हाल के वर्षों में, इंडक्शन मोटर्स (एएम) की लोकप्रियता उनके उच्च शुरुआती टॉर्क, अच्छे गति नियंत्रण और मध्यम अधिभार क्षमता (छवि 1) के कारण बढ़ी है।इंडक्शन मोटर्स न केवल आपके लाइट बल्बों को चमकाती हैं, बल्कि वे आपके टूथब्रश से लेकर टेस्ला तक, आपके घर के अधिकांश गैजेट्स को शक्ति प्रदान करती हैं।आईएम में यांत्रिक ऊर्जा स्टेटर और रोटर वाइंडिंग के चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क से निर्मित होती है।इसके अलावा, दुर्लभ पृथ्वी धातुओं की सीमित आपूर्ति के कारण आईएम एक व्यवहार्य विकल्प है।हालाँकि, एडी का मुख्य नुकसान यह है कि उनका जीवनकाल और दक्षता तापमान के प्रति बहुत संवेदनशील है।इंडक्शन मोटर्स दुनिया की लगभग 40% बिजली की खपत करती हैं, जिससे हमें यह सोचना चाहिए कि इन मशीनों की बिजली खपत का प्रबंधन करना महत्वपूर्ण है।
अरहेनियस समीकरण बताता है कि ऑपरेटिंग तापमान में प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि के लिए, पूरे इंजन का जीवन आधा हो जाता है।इसलिए, मशीन की विश्वसनीयता सुनिश्चित करने और उत्पादकता बढ़ाने के लिए रक्तचाप के थर्मल नियंत्रण पर ध्यान देना आवश्यक है।अतीत में, थर्मल विश्लेषण की उपेक्षा की गई है और मोटर डिजाइनरों ने डिजाइन अनुभव या अन्य आयामी चर जैसे कि घुमावदार वर्तमान घनत्व इत्यादि के आधार पर केवल परिधि पर समस्या पर विचार किया है। ये दृष्टिकोण सबसे खराब स्थिति के लिए बड़े सुरक्षा मार्जिन के अनुप्रयोग की ओर ले जाते हैं। केस हीटिंग की स्थिति, जिसके परिणामस्वरूप मशीन के आकार में वृद्धि हुई और इसलिए लागत में वृद्धि हुई।
थर्मल विश्लेषण दो प्रकार के होते हैं: लम्प्ड सर्किट विश्लेषण और संख्यात्मक तरीके।विश्लेषणात्मक तरीकों का मुख्य लाभ जल्दी और सटीक गणना करने की क्षमता है।हालाँकि, थर्मल पथों का अनुकरण करने के लिए पर्याप्त सटीकता के साथ सर्किट को परिभाषित करने के लिए काफी प्रयास किए जाने चाहिए।दूसरी ओर, संख्यात्मक तरीकों को मोटे तौर पर कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता (सीएफडी) और संरचनात्मक थर्मल विश्लेषण (एसटीए) में विभाजित किया गया है, जो दोनों परिमित तत्व विश्लेषण (एफईए) का उपयोग करते हैं।संख्यात्मक विश्लेषण का लाभ यह है कि यह आपको डिवाइस की ज्यामिति को मॉडल करने की अनुमति देता है।हालाँकि, सिस्टम सेटअप और गणना कभी-कभी कठिन हो सकती है।नीचे चर्चा किए गए वैज्ञानिक लेख विभिन्न आधुनिक प्रेरण मोटरों के थर्मल और विद्युत चुम्बकीय विश्लेषण के चयनित उदाहरण हैं।इन लेखों ने लेखकों को अतुल्यकालिक मोटरों में थर्मल घटनाओं और उन्हें ठंडा करने के तरीकों का अध्ययन करने के लिए प्रेरित किया।
पिल-वान हान1 एमआई के थर्मल और विद्युत चुम्बकीय विश्लेषण में लगा हुआ था।लम्प्ड सर्किट विश्लेषण विधि का उपयोग थर्मल विश्लेषण के लिए किया जाता है, और समय-परिवर्तनशील चुंबकीय परिमित तत्व विधि का उपयोग विद्युत चुम्बकीय विश्लेषण के लिए किया जाता है।किसी भी औद्योगिक अनुप्रयोग में थर्मल अधिभार संरक्षण को उचित रूप से प्रदान करने के लिए, स्टेटर वाइंडिंग के तापमान का विश्वसनीय रूप से अनुमान लगाया जाना चाहिए।अहमद एट अल.2 ने गहरे थर्मल और थर्मोडायनामिक विचारों के आधार पर एक उच्च क्रम वाले हीट नेटवर्क मॉडल का प्रस्ताव रखा।औद्योगिक थर्मल संरक्षण उद्देश्यों के लिए थर्मल मॉडलिंग विधियों के विकास से विश्लेषणात्मक समाधान और थर्मल मापदंडों पर विचार करने से लाभ मिलता है।
नायर एट अल.3 ने एक विद्युत मशीन में थर्मल वितरण की भविष्यवाणी करने के लिए 39 किलोवाट आईएम और 3डी संख्यात्मक थर्मल विश्लेषण के संयुक्त विश्लेषण का उपयोग किया।यिंग एट अल.4 ने 3डी तापमान अनुमान के साथ फैन-कूल्ड पूरी तरह से संलग्न (टीईएफसी) आईएम का विश्लेषण किया।मून एट अल.5 ने सीएफडी का उपयोग करके आईएम टीईएफसी के ताप प्रवाह गुणों का अध्ययन किया।एलपीटीएन मोटर ट्रांज़िशन मॉडल टॉड एट अल.6 द्वारा दिया गया था।प्रायोगिक तापमान डेटा का उपयोग प्रस्तावित एलपीटीएन मॉडल से प्राप्त गणना तापमान के साथ किया जाता है।पीटर एट अल.7 ने वायु प्रवाह का अध्ययन करने के लिए सीएफडी का उपयोग किया जो इलेक्ट्रिक मोटरों के थर्मल व्यवहार को प्रभावित करता है।
कैब्रल एट अल8 ने एक सरल आईएम थर्मल मॉडल प्रस्तावित किया जिसमें सिलेंडर ताप प्रसार समीकरण को लागू करके मशीन का तापमान प्राप्त किया गया था।Nategh et al.9 ने अनुकूलित घटकों की सटीकता का परीक्षण करने के लिए CFD का उपयोग करके एक स्व-हवादार कर्षण मोटर प्रणाली का अध्ययन किया।इस प्रकार, संख्यात्मक और प्रायोगिक अध्ययन का उपयोग इंडक्शन मोटर्स के थर्मल विश्लेषण को अनुकरण करने के लिए किया जा सकता है, अंजीर देखें।2.
यिनये एट अल.10 ने मानक सामग्रियों के सामान्य थर्मल गुणों और मशीन भाग के नुकसान के सामान्य स्रोतों का उपयोग करके थर्मल प्रबंधन में सुधार करने के लिए एक डिजाइन का प्रस्ताव दिया।मार्को एट अल.11 ने सीएफडी और एलपीटीएन मॉडल का उपयोग करके मशीन घटकों के लिए कूलिंग सिस्टम और वॉटर जैकेट डिजाइन करने के लिए मानदंड प्रस्तुत किए।याओहुई एट अल.12 एक उपयुक्त शीतलन विधि का चयन करने और डिजाइन प्रक्रिया के आरंभ में प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए विभिन्न दिशानिर्देश प्रदान करता है।नेल एट अल.13 ने एक बहुभौतिकी समस्या के लिए मूल्यों की एक निश्चित सीमा, विस्तार के स्तर और कम्प्यूटेशनल शक्ति के लिए युग्मित विद्युत चुम्बकीय-थर्मल सिमुलेशन के लिए मॉडल का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया।जीन एट अल.14 और किम एट अल.15 ने 3डी युग्मित एफईएम फ़ील्ड का उपयोग करके एयर-कूल्ड इंडक्शन मोटर के तापमान वितरण का अध्ययन किया।जूल हानियों का पता लगाने और थर्मल विश्लेषण के लिए उनका उपयोग करने के लिए 3डी एड़ी वर्तमान क्षेत्र विश्लेषण का उपयोग करके इनपुट डेटा की गणना करें।
मिशेल एट अल.16 ने सिमुलेशन और प्रयोगों के माध्यम से विभिन्न डिजाइनों के अक्षीय प्रशंसकों के साथ पारंपरिक केन्द्रापसारक शीतलन प्रशंसकों की तुलना की।इनमें से एक डिज़ाइन ने समान ऑपरेटिंग तापमान बनाए रखते हुए इंजन दक्षता में छोटे लेकिन महत्वपूर्ण सुधार हासिल किए।
लू एट अल.17 ने एक इंडक्शन मोटर के शाफ्ट पर लोहे के नुकसान का अनुमान लगाने के लिए बोग्लिएटी मॉडल के साथ संयोजन में समतुल्य चुंबकीय सर्किट विधि का उपयोग किया।लेखक मानते हैं कि स्पिंडल मोटर के अंदर किसी भी क्रॉस सेक्शन में चुंबकीय प्रवाह घनत्व का वितरण एक समान है।उन्होंने अपनी पद्धति की तुलना परिमित तत्व विश्लेषण और प्रयोगात्मक मॉडल के परिणामों से की।इस पद्धति का उपयोग एमआई के स्पष्ट विश्लेषण के लिए किया जा सकता है, लेकिन इसकी सटीकता सीमित है।
18 रैखिक प्रेरण मोटर्स के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का विश्लेषण करने के लिए विभिन्न तरीके प्रस्तुत करता है।उनमें से, प्रतिक्रियाशील रेल में बिजली के नुकसान का अनुमान लगाने के तरीकों और कर्षण रैखिक प्रेरण मोटर्स के तापमान वृद्धि की भविष्यवाणी करने के तरीकों का वर्णन किया गया है।इन विधियों का उपयोग रैखिक प्रेरण मोटर्स की ऊर्जा रूपांतरण दक्षता में सुधार के लिए किया जा सकता है।
ज़ब्दुर एट अल।19 ने त्रि-आयामी संख्यात्मक विधि का उपयोग करके कूलिंग जैकेट के प्रदर्शन की जांच की।कूलिंग जैकेट तीन-चरण आईएम के लिए शीतलक के मुख्य स्रोत के रूप में पानी का उपयोग करता है, जो पंपिंग के लिए आवश्यक शक्ति और अधिकतम तापमान के लिए महत्वपूर्ण है।रिप्पेल एट अल.20 ने तरल शीतलन प्रणालियों के लिए एक नए दृष्टिकोण का पेटेंट कराया है जिसे ट्रांसवर्स लेमिनेटेड कूलिंग कहा जाता है, जिसमें रेफ्रिजरेंट एक दूसरे के चुंबकीय लेमिनेशन में छेद द्वारा गठित संकीर्ण क्षेत्रों के माध्यम से अनुप्रस्थ रूप से प्रवाहित होता है।डेरिसज़ादे एट अल.21 ने एथिलीन ग्लाइकॉल और पानी के मिश्रण का उपयोग करके ऑटोमोटिव उद्योग में ट्रैक्शन मोटर्स की कूलिंग की प्रयोगात्मक जांच की।सीएफडी और 3डी अशांत द्रव विश्लेषण के साथ विभिन्न मिश्रणों के प्रदर्शन का मूल्यांकन करें।बूपाथी एट अल.22 द्वारा एक सिमुलेशन अध्ययन से पता चला है कि वाटर-कूल्ड इंजन (17-124 डिग्री सेल्सियस) के लिए तापमान सीमा एयर-कूल्ड इंजन (104-250 डिग्री सेल्सियस) की तुलना में काफी कम है।एल्यूमीनियम वॉटर-कूल्ड मोटर का अधिकतम तापमान 50.4% कम हो जाता है, और PA6GF30 वॉटर-कूल्ड मोटर का अधिकतम तापमान 48.4% कम हो जाता है।बेजुकोव एट अल.23 ने तरल शीतलन प्रणाली के साथ इंजन की दीवार की तापीय चालकता पर स्केल गठन के प्रभाव का मूल्यांकन किया।अध्ययनों से पता चला है कि 1.5 मिमी मोटी ऑक्साइड फिल्म गर्मी हस्तांतरण को 30% कम कर देती है, ईंधन की खपत बढ़ाती है और इंजन की शक्ति कम कर देती है।
Tanguy et al.24 ने शीतलक के रूप में चिकनाई वाले तेल का उपयोग करके इलेक्ट्रिक मोटरों के लिए विभिन्न प्रवाह दर, तेल तापमान, घूर्णी गति और इंजेक्शन मोड के साथ प्रयोग किए।प्रवाह दर और समग्र शीतलन दक्षता के बीच एक मजबूत संबंध स्थापित किया गया है।हा एट अल.25 ने तेल फिल्म को समान रूप से वितरित करने और इंजन कूलिंग दक्षता को अधिकतम करने के लिए नोजल के रूप में ड्रिप नोजल का उपयोग करने का सुझाव दिया।
नंदी एट अल.26 ने इंजन प्रदर्शन और थर्मल प्रबंधन पर एल-आकार के फ्लैट हीट पाइप के प्रभाव का विश्लेषण किया।हीट पाइप बाष्पीकरणकर्ता भाग को मोटर आवरण में स्थापित किया जाता है या मोटर शाफ्ट में दफन किया जाता है, और कंडेनसर भाग को स्थापित किया जाता है और तरल या हवा को प्रसारित करके ठंडा किया जाता है।बेल्लेट्रे एट अल.27 ने एक क्षणिक मोटर स्टेटर के लिए पीसीएम ठोस-तरल शीतलन प्रणाली का अध्ययन किया।पीसीएम घुमावदार सिरों को संसेचित करता है, गुप्त तापीय ऊर्जा को संग्रहीत करके गर्म स्थान के तापमान को कम करता है।
इस प्रकार, विभिन्न शीतलन रणनीतियों का उपयोग करके मोटर प्रदर्शन और तापमान का मूल्यांकन किया जाता है, चित्र देखें।3. ये कूलिंग सर्किट वाइंडिंग्स, प्लेट्स, वाइंडिंग हेड्स, मैग्नेट, कारकास और एंड प्लेट्स के तापमान को नियंत्रित करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।
तरल शीतलन प्रणालियाँ अपने कुशल ताप हस्तांतरण के लिए जानी जाती हैं।हालाँकि, इंजन के चारों ओर शीतलक पंप करने से बहुत अधिक ऊर्जा की खपत होती है, जिससे इंजन का प्रभावी बिजली उत्पादन कम हो जाता है।दूसरी ओर, एयर कूलिंग सिस्टम अपनी कम लागत और अपग्रेड में आसानी के कारण व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है।हालाँकि, यह अभी भी तरल शीतलन प्रणालियों की तुलना में कम कुशल है।एक एकीकृत दृष्टिकोण की आवश्यकता है जो अतिरिक्त ऊर्जा की खपत के बिना तरल-ठंडा प्रणाली के उच्च गर्मी हस्तांतरण प्रदर्शन को एयर-कूल्ड प्रणाली की कम लागत के साथ जोड़ सके।
यह आलेख AD में गर्मी के नुकसान को सूचीबद्ध करता है और उसका विश्लेषण करता है।इस समस्या का तंत्र, साथ ही इंडक्शन मोटर्स की हीटिंग और कूलिंग, कूलिंग रणनीतियों के माध्यम से इंडक्शन मोटर्स अनुभाग में हीट लॉस में समझाया गया है।इंडक्शन मोटर के कोर की ऊष्मा हानि को ऊष्मा में परिवर्तित किया जाता है।इसलिए, यह लेख चालन और मजबूर संवहन द्वारा इंजन के अंदर गर्मी हस्तांतरण के तंत्र पर चर्चा करता है।निरंतरता समीकरणों, नेवियर-स्टोक्स/संवेग समीकरणों और ऊर्जा समीकरणों का उपयोग करके आईएम के थर्मल मॉडलिंग की सूचना दी गई है।शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रिक मोटर के थर्मल शासन को नियंत्रित करने के एकमात्र उद्देश्य के लिए स्टेटर वाइंडिंग के तापमान का अनुमान लगाने के लिए आईएम का विश्लेषणात्मक और संख्यात्मक थर्मल अध्ययन किया।यह लेख CAD मॉडलिंग और ANSYS फ्लुएंट सिमुलेशन का उपयोग करके एयर-कूल्ड IM के थर्मल विश्लेषण और एकीकृत एयर-कूल्ड और वाटर-कूल्ड IM के थर्मल विश्लेषण पर केंद्रित है।और एयर-कूल्ड और वाटर-कूल्ड सिस्टम के एकीकृत उन्नत मॉडल के थर्मल फायदों का गहराई से विश्लेषण किया गया है।जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, यहां सूचीबद्ध दस्तावेज़ थर्मल घटना और इंडक्शन मोटर्स के शीतलन के क्षेत्र में कला की स्थिति का सारांश नहीं हैं, लेकिन वे कई समस्याओं का संकेत देते हैं जिन्हें इंडक्शन मोटर्स के विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने के लिए हल करने की आवश्यकता है। .
गर्मी के नुकसान को आमतौर पर तांबे के नुकसान, लोहे के नुकसान और घर्षण/यांत्रिक नुकसान में विभाजित किया जाता है।
तांबे की हानि कंडक्टर की प्रतिरोधकता के कारण जूल हीटिंग का परिणाम है और इसे 10.28 के रूप में निर्धारित किया जा सकता है:
जहां q̇g उत्पन्न गर्मी है, I और Ve क्रमशः नाममात्र वर्तमान और वोल्टेज हैं, और Re तांबे का प्रतिरोध है।
लौह हानि, जिसे परजीवी हानि के रूप में भी जाना जाता है, हानि का दूसरा मुख्य प्रकार है जो एएम में हिस्टैरिसीस और एड़ी वर्तमान हानि का कारण बनता है, जो मुख्य रूप से समय-परिवर्तनशील चुंबकीय क्षेत्र के कारण होता है।उन्हें विस्तारित स्टीनमेट्ज़ समीकरण द्वारा परिमाणित किया गया है, जिनके गुणांक को ऑपरेटिंग स्थितियों 10,28,29 के आधार पर स्थिर या परिवर्तनशील माना जा सकता है।
जहां ख्न कोर लॉस आरेख से प्राप्त हिस्टैरिसीस हानि कारक है, केन एड़ी वर्तमान हानि कारक है, एन हार्मोनिक इंडेक्स है, बीएन और एफ क्रमशः गैर-साइनसॉइडल उत्तेजना के शिखर प्रवाह घनत्व और आवृत्ति हैं।उपरोक्त समीकरण को इस प्रकार और भी सरल बनाया जा सकता है10,29:
उनमें से, K1 और K2 क्रमशः मुख्य हानि कारक और एड़ी वर्तमान हानि (qec), हिस्टैरिसीस हानि (qh), और अतिरिक्त हानि (qex) हैं।
पवन भार और घर्षण हानि आईएम में यांत्रिक हानि के दो मुख्य कारण हैं।हवा और घर्षण हानि 10 हैं,
सूत्र में, n घूर्णी गति है, Kfb घर्षण हानि का गुणांक है, D रोटर का बाहरी व्यास है, l रोटर की लंबाई है, G रोटर का वजन 10 है।
इंजन के भीतर गर्मी हस्तांतरण के लिए प्राथमिक तंत्र चालन और आंतरिक हीटिंग के माध्यम से होता है, जैसा कि इस उदाहरण पर लागू पॉइसन समीकरण 30 द्वारा निर्धारित किया गया है:
ऑपरेशन के दौरान, एक निश्चित समय के बाद जब मोटर स्थिर स्थिति में पहुंचती है, तो उत्पन्न गर्मी का अनुमान सतह के ताप प्रवाह के निरंतर ताप से लगाया जा सकता है।इसलिए, यह माना जा सकता है कि इंजन के अंदर चालन आंतरिक गर्मी की रिहाई के साथ किया जाता है।
पंखों और आसपास के वातावरण के बीच गर्मी हस्तांतरण को मजबूर संवहन माना जाता है, जब तरल पदार्थ को बाहरी बल द्वारा एक निश्चित दिशा में चलने के लिए मजबूर किया जाता है।संवहन को 30 के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:
जहां h ऊष्मा अंतरण गुणांक (W/m2 K) है, A सतह क्षेत्र है, और ΔT ऊष्मा अंतरण सतह और सतह के लंबवत रेफ्रिजरेंट के बीच तापमान का अंतर है।नुसेल्ट संख्या (एनयू) सीमा के लंबवत संवहन और प्रवाहकीय गर्मी हस्तांतरण के अनुपात का एक माप है और इसे लैमिनर और अशांत प्रवाह की विशेषताओं के आधार पर चुना जाता है।अनुभवजन्य विधि के अनुसार, अशांत प्रवाह की नुसेल्ट संख्या आमतौर पर रेनॉल्ड्स संख्या और प्रांटल संख्या से जुड़ी होती है, जिसे 30 के रूप में व्यक्त किया जाता है:
जहां h संवहन ताप अंतरण गुणांक (W/m2 K) है, l विशेषता लंबाई है, λ द्रव की तापीय चालकता (W/m K) है, और Prandtl संख्या (Pr) अनुपात का एक माप है तापीय विसरणशीलता (या वेग और तापीय सीमा परत की सापेक्ष मोटाई) के संवेग प्रसार गुणांक को 30 के रूप में परिभाषित किया गया है:
जहां k और cp क्रमशः तरल की तापीय चालकता और विशिष्ट ऊष्मा क्षमता हैं।सामान्य तौर पर, इलेक्ट्रिक मोटरों के लिए हवा और पानी सबसे आम शीतलक हैं।परिवेश के तापमान पर हवा और पानी के तरल गुण तालिका 1 में दिखाए गए हैं।
आईएम थर्मल मॉडलिंग निम्नलिखित मान्यताओं पर आधारित है: 3डी स्थिर अवस्था, अशांत प्रवाह, वायु एक आदर्श गैस है, नगण्य विकिरण, न्यूटोनियन तरल पदार्थ, असम्पीडित तरल पदार्थ, नो-स्लिप स्थिति और निरंतर गुण।इसलिए, तरल क्षेत्र में द्रव्यमान, संवेग और ऊर्जा के संरक्षण के नियमों को पूरा करने के लिए निम्नलिखित समीकरणों का उपयोग किया जाता है।
सामान्य स्थिति में, द्रव्यमान संरक्षण समीकरण तरल पदार्थ के साथ कोशिका में शुद्ध द्रव्यमान प्रवाह के बराबर होता है, जो सूत्र द्वारा निर्धारित होता है:
न्यूटन के दूसरे नियम के अनुसार, किसी तरल कण के संवेग में परिवर्तन की दर उस पर कार्य करने वाले बलों के योग के बराबर होती है, और सामान्य संवेग संरक्षण समीकरण को वेक्टर रूप में इस प्रकार लिखा जा सकता है:
उपरोक्त समीकरण में शब्द ∇p, ∇∙τij, और ρg क्रमशः दबाव, चिपचिपाहट और गुरुत्वाकर्षण का प्रतिनिधित्व करते हैं।मशीनों में शीतलक के रूप में उपयोग किए जाने वाले शीतलक मीडिया (हवा, पानी, तेल, आदि) को आमतौर पर न्यूटोनियन माना जाता है।यहां दिखाए गए समीकरणों में केवल कतरनी तनाव और कतरनी दिशा के लंबवत वेग ढाल (तनाव दर) के बीच एक रैखिक संबंध शामिल है।निरंतर श्यानता और स्थिर प्रवाह को ध्यान में रखते हुए, समीकरण (12) को 31 में बदला जा सकता है:
ऊष्मागतिकी के पहले नियम के अनुसार, किसी तरल कण की ऊर्जा में परिवर्तन की दर तरल कण द्वारा उत्पन्न शुद्ध ऊष्मा और तरल कण द्वारा उत्पन्न शुद्ध शक्ति के योग के बराबर होती है।न्यूटोनियन संपीड़ित चिपचिपा प्रवाह के लिए, ऊर्जा संरक्षण समीकरण को 31 के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:
जहां Cp स्थिर दबाव पर ताप क्षमता है, और शब्द ∇ ∙ (k∇T) तरल सेल सीमा के माध्यम से तापीय चालकता से संबंधित है, जहां k तापीय चालकता को दर्शाता है।यांत्रिक ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित करने को \(\varnothing\) (यानी, चिपचिपा अपव्यय फ़ंक्शन) के संदर्भ में माना जाता है और इसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:
जहां \(\rho\) तरल का घनत्व है, \(\mu\) तरल की चिपचिपाहट है, u, v और w क्रमशः तरल वेग की दिशा x, y, z की क्षमता हैं।यह शब्द यांत्रिक ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में बदलने का वर्णन करता है और इसे नजरअंदाज किया जा सकता है क्योंकि यह केवल तभी महत्वपूर्ण है जब तरल की चिपचिपाहट बहुत अधिक हो और तरल का वेग ढाल बहुत बड़ा हो।स्थिर प्रवाह, निरंतर विशिष्ट ऊष्मा और तापीय चालकता के मामले में, ऊर्जा समीकरण को निम्नानुसार संशोधित किया जाता है:
इन बुनियादी समीकरणों को कार्टेशियन समन्वय प्रणाली में लामिना प्रवाह के लिए हल किया जाता है।हालाँकि, कई अन्य तकनीकी समस्याओं की तरह, विद्युत मशीनों का संचालन मुख्य रूप से अशांत प्रवाह से जुड़ा होता है।इसलिए, इन समीकरणों को अशांति मॉडलिंग के लिए रेनॉल्ड्स नेवियर-स्टोक्स (आरएएनएस) औसत विधि बनाने के लिए संशोधित किया गया है।
इस कार्य में, संबंधित सीमा शर्तों के साथ सीएफडी मॉडलिंग के लिए एएनएसवाईएस फ्लुएंट 2021 कार्यक्रम को चुना गया था, जैसे मॉडल पर विचार किया गया: 100 किलोवाट की क्षमता के साथ एयर कूलिंग वाला एक अतुल्यकालिक इंजन, रोटर का व्यास 80.80 मिमी, व्यास स्टेटर का 83.56 मिमी (आंतरिक) और 190 मिमी (बाहरी), 1.38 मिमी का वायु अंतराल, 234 मिमी की कुल लंबाई, राशि, पसलियों की मोटाई 3 मिमी।.
सॉलिडवर्क्स एयर-कूल्ड इंजन मॉडल को फिर ANSYS फ़्लुएंट में आयात किया जाता है और सिम्युलेटेड किया जाता है।इसके अलावा, किए गए सिमुलेशन की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए प्राप्त परिणामों की जांच की जाती है।इसके अलावा, एक एकीकृत एयर- और वाटर-कूल्ड आईएम को सॉलिडवर्क्स 2017 सॉफ्टवेयर का उपयोग करके तैयार किया गया था और एएनएसवाईएस फ्लुएंट 2021 सॉफ्टवेयर (चित्रा 4) का उपयोग करके सिम्युलेटेड किया गया था।
इस मॉडल का डिज़ाइन और आयाम सीमेंस 1LA9 एल्यूमीनियम श्रृंखला से प्रेरित हैं और सॉलिडवर्क्स 2017 में तैयार किए गए हैं। सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर की आवश्यकताओं के अनुरूप मॉडल को थोड़ा संशोधित किया गया है।ANSYS वर्कबेंच 2021 के साथ मॉडलिंग करते समय अवांछित भागों को हटाकर, फ़िललेट्स, चैंफ़र आदि को हटाकर CAD मॉडल को संशोधित करें।
एक डिज़ाइन नवाचार वॉटर जैकेट है, जिसकी लंबाई पहले मॉडल के सिमुलेशन परिणामों से निर्धारित की गई थी।ANSYS में कमर का उपयोग करते समय सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए वॉटर जैकेट सिमुलेशन में कुछ बदलाव किए गए हैं।IM के विभिन्न भागों को अंजीर में दिखाया गया है।5ए-एफ.
(ए)।रोटर कोर और आईएम शाफ्ट।(बी) आईएम स्टेटर कोर।(सी) आईएम स्टेटर वाइंडिंग।(डी) एमआई का बाहरी फ्रेम।(ई) आईएम वॉटर जैकेट।च) हवा और पानी से ठंडा आईएम मॉडल का संयोजन।
शाफ्ट पर लगा पंखा 10 मीटर/सेकेंड का निरंतर वायु प्रवाह और पंखों की सतह पर 30 डिग्री सेल्सियस का तापमान प्रदान करता है।इस आलेख में विश्लेषण किए गए रक्तचाप की क्षमता के आधार पर दर का मूल्य यादृच्छिक रूप से चुना जाता है, जो साहित्य में संकेतित से अधिक है।हॉट जोन में रोटर, स्टेटर, स्टेटर वाइंडिंग और रोटर केज बार शामिल हैं।स्टेटर और रोटर की सामग्री स्टील है, वाइंडिंग्स और पिंजरे की छड़ें तांबे की हैं, फ्रेम और पसलियां एल्यूमीनियम हैं।इन क्षेत्रों में उत्पन्न गर्मी विद्युत चुम्बकीय घटनाओं के कारण होती है, जैसे तांबे के तार के माध्यम से बाहरी धारा प्रवाहित करने पर जूल हीटिंग, साथ ही चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन।विभिन्न घटकों की गर्मी रिलीज दरें 100 किलोवाट आईएम के लिए उपलब्ध विभिन्न साहित्य से ली गई थीं।
एकीकृत एयर-कूल्ड और वाटर-कूल्ड आईएम में, उपरोक्त शर्तों के अलावा, एक वॉटर जैकेट भी शामिल है, जिसमें विभिन्न जल प्रवाह दरों (5 एल/मिनट, 10 एल/मिनट) के लिए गर्मी हस्तांतरण क्षमताओं और पंप पावर आवश्यकताओं का विश्लेषण किया गया था। और 15 एल/मिनट)।इस वाल्व को न्यूनतम वाल्व के रूप में चुना गया था, क्योंकि 5 एल/मिनट से कम प्रवाह के लिए परिणाम महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदले।इसके अलावा, 15 एल/मिनट की प्रवाह दर को अधिकतम मूल्य के रूप में चुना गया था, क्योंकि तापमान में गिरावट जारी रहने के बावजूद पंपिंग शक्ति में काफी वृद्धि हुई थी।
विभिन्न IM मॉडलों को ANSYS फ़्लुएंट में आयात किया गया और ANSYS डिज़ाइन मॉडलर का उपयोग करके आगे संपादित किया गया।इसके अलावा, इंजन के चारों ओर हवा की गति का विश्लेषण करने और वातावरण में गर्मी को हटाने का अध्ययन करने के लिए AD के चारों ओर 0.3 × 0.3 × 0.5 मीटर के आयाम वाला एक बॉक्स-आकार का आवरण बनाया गया था।एकीकृत वायु और जल-ठंडा आईएम के लिए समान विश्लेषण किए गए थे।
IM मॉडल को CFD और FEM संख्यात्मक तरीकों का उपयोग करके तैयार किया गया है।समाधान खोजने के लिए किसी डोमेन को निश्चित संख्या में घटकों में विभाजित करने के लिए सीएफडी में मेश बनाए जाते हैं।उपयुक्त तत्व आकार वाले टेट्राहेड्रल जाल का उपयोग इंजन घटकों की सामान्य जटिल ज्यामिति के लिए किया जाता है।सटीक सतह ताप हस्तांतरण परिणाम प्राप्त करने के लिए सभी इंटरफेस 10 परतों से भरे गए थे।दो एमआई मॉडल की ग्रिड ज्यामिति चित्र में दिखाई गई है।6ए, बी.
ऊर्जा समीकरण आपको इंजन के विभिन्न क्षेत्रों में गर्मी हस्तांतरण का अध्ययन करने की अनुमति देता है।बाहरी सतह के आसपास अशांति का मॉडल बनाने के लिए मानक दीवार कार्यों के साथ के-एप्सिलॉन अशांति मॉडल को चुना गया था।मॉडल गतिज ऊर्जा (ईके) और अशांत अपव्यय (एप्सिलॉन) को ध्यान में रखता है।तांबा, एल्यूमीनियम, स्टील, वायु और पानी को उनके संबंधित अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए उनके मानक गुणों के अनुसार चुना गया था।गर्मी अपव्यय दरें (तालिका 2 देखें) इनपुट के रूप में दी गई हैं, और अलग-अलग बैटरी क्षेत्र की स्थिति 15, 17, 28, 32 पर सेट की गई है। मोटर मॉडल और दोनों के लिए मोटर केस पर हवा की गति 10 मीटर/सेकेंड पर सेट की गई थी। इसके अलावा, वॉटर जैकेट के लिए तीन अलग-अलग जल दरों (5 लीटर/मिनट, 10 लीटर/मिनट और 15 लीटर/मिनट) को ध्यान में रखा गया।अधिक सटीकता के लिए, सभी समीकरणों के अवशेष 1 × 10–6 के बराबर सेट किए गए थे।नेवियर प्राइम (एनएस) समीकरणों को हल करने के लिए सरल (दबाव समीकरणों के लिए अर्ध-निहित विधि) एल्गोरिदम का चयन करें।हाइब्रिड इनिशियलाइज़ेशन पूरा होने के बाद, सेटअप 500 पुनरावृत्तियों को चलाएगा, जैसा चित्र 7 में दिखाया गया है।