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엔진의 운영 비용과 수명으로 인해 적절한 엔진 열 관리 전략이 매우 중요합니다.이 기사에서는 더 나은 내구성을 제공하고 효율성을 향상시키기 위해 유도 모터에 대한 열 관리 전략을 개발했습니다.또한 엔진 냉각 방법에 대한 광범위한 문헌 검토가 수행되었습니다.주요 결과로서 잘 알려진 열 분포 문제를 고려하여 고전력 공냉식 비동기 모터의 열 계산이 제공됩니다.또한 본 연구에서는 현재 요구 사항을 충족하기 위해 두 가지 이상의 냉각 전략을 사용한 통합 접근 방식을 제안합니다.100kW 공랭식 비동기식 전동기 모델과 동일한 전동기의 개선된 열관리 모델에 대한 수치적 연구는 공랭식과 통합 수냉식 시스템의 조합을 통해 모터 효율이 크게 향상되었습니다. 실시.통합 공랭식 및 수냉식 시스템은 SolidWorks 2017 및 ANSYS Fluent 2021 버전을 사용하여 연구되었습니다.세 가지 다른 물 흐름(5L/min, 10L/min 및 15L/min)이 기존의 공랭식 유도 모터에 대해 분석되었고 사용 가능한 공개 리소스를 사용하여 검증되었습니다.분석은 서로 다른 유속(각각 5L/min, 10L/min 및 15L/min)에 대해 2.94%, 4.79% 및 7.69%의 해당 온도 감소를 얻었음을 보여줍니다.따라서 내장형 유도전동기가 공냉식 유도전동기에 비해 효과적으로 온도를 낮출 수 있다는 결과를 보였다.
전기 모터는 현대 공학 과학의 주요 발명품 중 하나입니다.전기 모터는 자동차 및 항공 우주 산업을 포함하여 가전 제품에서 차량에 이르기까지 모든 분야에서 사용됩니다.최근 몇 년 동안 유도 전동기(AM)의 인기는 높은 시동 토크, 우수한 속도 제어 및 적당한 과부하 용량으로 인해 증가했습니다(그림 1).인덕션 모터는 전구를 빛나게 할 뿐만 아니라 칫솔에서 Tesla에 이르기까지 가정에 있는 대부분의 장치에 전원을 공급합니다.IM의 기계적 에너지는 고정자와 회 전자 권선의 자기장의 접촉에 의해 생성됩니다.또한 IM은 희토류 금속의 제한된 공급으로 인해 실행 가능한 옵션입니다.그러나 AD의 주요 단점은 수명과 효율성이 온도에 매우 민감하다는 것입니다.유도 전동기는 전 세계 전력의 약 40%를 소비하므로 이러한 기계의 전력 소비 관리가 중요하다는 생각을 하게 합니다.
Arrhenius 공식에 따르면 작동 온도가 10°C 상승할 때마다 전체 엔진의 수명이 절반으로 줄어듭니다.따라서 기계의 신뢰성 확보와 생산성 향상을 위해서는 혈압의 열제어에 주의를 기울여야 한다.과거에는 열 분석이 무시되었고 모터 설계자는 설계 경험이나 권선 전류 밀도 등과 같은 기타 차원 변수를 기반으로 주변부에서만 문제를 고려했습니다. 케이스 가열 조건으로 인해 기계 크기가 증가하여 비용이 증가합니다.
열 분석에는 집중 회로 분석과 수치 분석의 두 가지 유형이 있습니다.분석 방법의 주요 장점은 계산을 빠르고 정확하게 수행할 수 있다는 것입니다.그러나 열 경로를 시뮬레이션하기에 충분한 정확도로 회로를 정의하려면 상당한 노력을 기울여야 합니다.한편, 수치해석 방법은 크게 전산유체역학(CFD)과 구조적 열해석(STA)으로 나뉘며 둘 다 유한요소해석(FEA)을 사용한다.수치 해석의 장점은 장치의 형상을 모델링할 수 있다는 것입니다.그러나 때때로 시스템 설정 및 계산이 어려울 수 있습니다.아래에 논의된 과학 기사는 다양한 최신 유도 전동기의 열 및 전자기 분석의 선택된 예입니다.이 기사는 저자로 하여금 비동기식 모터의 열 현상과 냉각 방법을 연구하도록 자극했습니다.
한필완1은 MI의 열적 및 전자기적 분석에 종사하였다.열분석에는 집중회로해석법이, 전자기해석에는 시변자기유한요소법이 이용된다.모든 산업 응용 분야에서 열 과부하 보호 기능을 적절하게 제공하려면 고정자 권선의 온도를 안정적으로 추정해야 합니다.Ahmed et al.2는 심도 있는 열 및 열역학적 고려 사항을 기반으로 고차 열 네트워크 모델을 제안했습니다.산업용 열 보호 목적을 위한 열 모델링 방법의 개발은 분석 솔루션 및 열 매개변수 고려의 이점을 얻습니다.
Nair et al.3은 전기 기계의 열 분포를 예측하기 위해 39kW IM과 3D 수치 열 분석의 결합 분석을 사용했습니다.Ying et al.4은 3D 온도 추정을 통해 팬 냉각 완전 밀폐형(TEFC) IM을 분석했습니다.Moonet al.5는 CFD를 사용하여 IM TEFC의 열 흐름 특성을 연구했습니다.LPTN 운동 전이 모델은 Todd et al.6에 의해 주어졌습니다.실험 온도 데이터는 제안된 LPTN 모델에서 파생된 계산된 온도와 함께 사용됩니다.Peter et al.7은 CFD를 사용하여 전기 모터의 열 거동에 영향을 미치는 공기 흐름을 연구했습니다.
Cabral et al8은 실린더 열 확산 방정식을 적용하여 기계 온도를 얻은 간단한 IM 열 모델을 제안했습니다.Nategh et al.9는 최적화된 구성 요소의 정확도를 테스트하기 위해 CFD를 사용하여 자가 환기 견인 모터 시스템을 연구했습니다.따라서 수치 및 실험 연구를 사용하여 유도 전동기의 열 분석을 시뮬레이션할 수 있습니다(그림 참조).2.
Yinye et al.10은 표준 재료의 일반적인 열 속성과 기계 부품 손실의 일반적인 원인을 활용하여 열 관리를 개선하는 설계를 제안했습니다.Marco et al.11은 CFD 및 LPTN 모델을 사용하여 기계 부품용 냉각 시스템 및 워터 재킷을 설계하기 위한 기준을 제시했습니다.Yaohui et al.12는 설계 프로세스 초기에 적절한 냉각 방법을 선택하고 성능을 평가하기 위한 다양한 지침을 제공합니다.Nell et al.13은 다중물리 문제에 대해 주어진 범위의 값, 세부 수준 및 계산 능력에 대해 결합된 전자기-열 시뮬레이션을 위한 모델을 사용할 것을 제안했습니다.Jean et al.14와 Kim et al.15는 3D 결합 FEM 필드를 사용하여 공랭식 유도 전동기의 온도 분포를 연구했습니다.줄 손실을 찾고 열 분석에 사용하기 위해 3D 와전류 필드 분석을 사용하여 입력 데이터를 계산합니다.
Michel et al.16은 시뮬레이션과 실험을 통해 기존의 원심 냉각팬과 다양한 디자인의 축류팬을 비교하였다.이러한 설계 중 하나는 동일한 작동 온도를 유지하면서 엔진 효율성을 작지만 크게 개선했습니다.
Lu et al.17은 Boglietti 모델과 함께 등가 자기 회로 방법을 사용하여 유도 전동기 샤프트의 철 손실을 추정했습니다.저자는 스핀들 모터 내부의 모든 단면에서 자속 밀도 분포가 균일하다고 가정합니다.그들은 그들의 방법을 유한 요소 분석 및 실험 모델의 결과와 비교했습니다.이 방법은 MI의 빠른 분석에 사용할 수 있지만 정확도는 제한적입니다.
도 18은 선형 유도 모터의 전자기장을 분석하기 위한 다양한 방법을 제시한다.그 중 리액티브 레일의 전력 손실 추정 방법과 트랙션 선형 유도 전동기의 온도 상승 예측 방법에 대해 설명한다.이러한 방법은 선형 유도 전동기의 에너지 변환 효율을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다.
Zabdur et al.19는 3차원 수치 방법을 사용하여 냉각 재킷의 성능을 조사했습니다.냉각 재킷은 펌핑에 필요한 전력 및 최대 온도에 중요한 3상 IM의 주요 냉각수 공급원으로 물을 사용합니다.Rippelet al.20개는 냉매가 서로 자기 라미네이션의 구멍에 의해 형성된 좁은 영역을 통해 가로로 흐르는 가로 적층 냉각이라고 하는 액체 냉각 시스템에 대한 새로운 접근 방식에 대한 특허를 받았습니다.Deriszadeet al.21은 에틸렌 글리콜과 물의 혼합물을 사용하여 자동차 산업에서 견인 모터의 냉각을 실험적으로 조사했습니다.CFD 및 3D 난류 유체 해석을 통해 다양한 혼합물의 성능을 평가합니다.Boopathi et al.22의 시뮬레이션 연구에 따르면 수냉식 엔진(17-124°C)의 온도 범위는 공랭식 엔진(104-250°C)보다 훨씬 작습니다.알루미늄 수냉식 모터의 최고 온도는 50.4%, PA6GF30 수냉식 모터의 최고 온도는 48.4% 감소했습니다.Bezukov et al.23은 액체 냉각 시스템이 있는 엔진 벽의 열전도도에 대한 스케일 형성의 영향을 평가했습니다.연구에 따르면 1.5mm 두께의 산화막이 열 전달을 30%까지 줄이고 연료 소비를 늘리며 엔진 출력을 줄이는 것으로 나타났습니다.
Tanguy 등24은 윤활유를 냉각제로 사용하는 전기 모터에 대해 다양한 유속, 오일 온도, 회전 속도 및 주입 모드로 실험을 수행했습니다.유량과 전반적인 냉각 효율 사이에는 강력한 관계가 확립되었습니다.Ha 등25은 유막을 고르게 분포시키고 엔진 냉각 효율을 극대화하기 위해 드립 노즐을 노즐로 사용할 것을 제안했다.
Nandi et al.26은 L자형 평면 히트 파이프가 엔진 성능 및 열 관리에 미치는 영향을 분석했습니다.히트파이프 증발기 부분은 모터 케이싱에 설치되거나 모터 샤프트에 매립되며, 콘덴서 부분은 액체나 공기를 순환시켜 냉각시키는 역할을 한다.Bellettreet al.27은 과도 모터 고정자를 위한 PCM 고체-액체 냉각 시스템을 연구했습니다.PCM은 와인딩 헤드를 함침시켜 잠열 에너지를 저장하여 핫스팟 온도를 낮춥니다.
따라서 서로 다른 냉각 전략을 사용하여 모터 성능과 온도를 평가합니다(그림 참조).3. 이러한 냉각 회로는 와인딩, 플레이트, 와인딩 헤드, 자석, 카카스 및 엔드 플레이트의 온도를 제어하도록 설계되었습니다.
액체 냉각 시스템은 효율적인 열 전달로 유명합니다.그러나 냉각수를 엔진 주위로 펌핑하는 것은 많은 에너지를 소비하여 엔진의 유효 출력을 감소시킵니다.반면에 공기 냉각 시스템은 비용이 저렴하고 업그레이드가 쉽기 때문에 널리 사용되는 방법입니다.그러나 액체 냉각 시스템보다 여전히 덜 효율적입니다.추가 에너지를 소비하지 않고 수냉식 시스템의 높은 열 전달 성능과 공랭식 시스템의 저렴한 비용을 결합할 수 있는 통합된 접근 방식이 필요합니다.
이 기사는 AD의 열 손실을 나열하고 분석합니다.이 문제의 메커니즘과 유도 전동기의 가열 및 냉각은 냉각 전략을 통해 유도 전동기의 열 손실 섹션에서 설명합니다.유도 전동기 코어의 열 손실은 열로 변환됩니다.따라서 이 기사에서는 전도 및 강제 대류에 의한 엔진 내부의 열 전달 메커니즘에 대해 설명합니다.연속 방정식, Navier-Stokes/운동량 방정식 및 에너지 방정식을 사용한 IM의 열 모델링이 보고됩니다.연구원들은 전기 모터의 열 체계를 제어하기 위한 유일한 목적으로 고정자 권선의 온도를 추정하기 위해 IM의 분석 및 수치 열 연구를 수행했습니다.이 문서는 CAD 모델링 및 ANSYS Fluent 시뮬레이션을 사용하여 공랭식 IM의 열 분석과 통합 공랭식 및 수냉식 IM의 열 분석에 중점을 둡니다.그리고 공냉식과 수냉식 시스템의 통합 개선 모델의 열적 이점을 심층적으로 분석합니다.위에서 언급한 바와 같이 여기에 나열된 문서는 유도 전동기의 열 현상 및 냉각 분야의 최신 기술을 요약한 것이 아니라 유도 전동기의 안정적인 작동을 보장하기 위해 해결해야 할 많은 문제를 나타냅니다. .
열 손실은 일반적으로 동손, 철손 및 마찰/기계적 손실로 나뉩니다.
구리 손실은 도체의 저항으로 인한 주울 열의 결과이며 10.28로 정량화할 수 있습니다.
여기서 q̇g는 발생된 열, I 및 Ve는 각각 공칭 전류 및 전압, Re는 구리 저항입니다.
기생 손실이라고도 하는 철손은 AM에서 히스테리시스 및 와전류 손실을 일으키는 두 번째 주요 유형의 손실이며 주로 시변 자기장에 의해 발생합니다.그들은 작동 조건10,28,29에 따라 계수가 상수 또는 변수로 간주될 수 있는 확장된 Steinmetz 방정식에 의해 정량화됩니다.
여기서 Khn은 코어 손실 다이어그램에서 파생된 히스테리시스 손실 계수, Ken은 와전류 손실 계수, N은 고조파 지수, Bn 및 f는 각각 비정현파 여기의 피크 자속 밀도 및 주파수입니다.위의 방정식은 다음과 같이 더 단순화할 수 있습니다10,29:
그 중 K1과 K2는 각각 철손계수와 와전류손(qec), 히스테리시스손(qh), 과잉손(qex)이다.
바람 하중과 마찰 손실은 IM에서 기계적 손실의 두 가지 주요 원인입니다.바람과 마찰 손실은 10,
식에서 n은 회전속도, Kfb는 마찰손실계수, D는 로터의 외경, l은 로터의 길이, G는 로터(10)의 중량이다.
엔진 내 열 전달의 기본 메커니즘은 이 예에 적용된 포아송 방정식30에 의해 결정되는 전도 및 내부 가열을 통해 이루어집니다.
작동 중에 모터가 정상 상태에 도달하는 특정 시점 이후에 생성된 열은 표면 열유속의 일정한 가열에 의해 근사화될 수 있습니다.따라서 엔진 내부의 전도는 내부 열의 방출과 함께 수행된다고 가정할 수 있습니다.
핀과 주변 대기 사이의 열 전달은 유체가 외부 힘에 의해 특정 방향으로 강제로 이동하는 경우 강제 대류로 간주됩니다.대류는 30으로 표현할 수 있습니다.
여기서 h는 열전달 계수(W/m2 K), A는 표면적, ΔT는 열전달 표면과 표면에 수직인 냉매 사이의 온도 차이입니다.Nusselt 수(Nu)는 경계에 수직인 대류 및 전도성 열 전달 비율의 척도이며 층류 및 난류의 특성에 따라 선택됩니다.경험적 방법에 따르면 난류의 Nusselt 수는 일반적으로 Reynolds 수 및 Prandtl 수와 연관되며 30으로 표시됩니다.
여기서 h는 대류 열전달 계수(W/m2·K), l은 특성 길이, λ는 유체의 열전도율(W/m·K), 프란틀 수(Pr)는 열확산율(또는 열 경계층의 속도 및 상대 두께)에 대한 운동량 확산 계수, 30으로 정의:
여기서 k와 cp는 각각 액체의 열전도율과 비열 용량입니다.일반적으로 공기와 물은 전기 모터의 가장 일반적인 냉각수입니다.대기 온도에서 공기와 물의 액체 특성은 표 1에 나와 있습니다.
IM 열 모델링은 다음과 같은 가정을 기반으로 합니다. 3D 정상 상태, 난류, 공기는 이상 기체, 무시할 수 있는 복사, 뉴턴 유체, 비압축성 유체, 미끄럼 방지 조건 및 상수 특성.따라서 액체 영역에서 질량, 운동량 및 에너지 보존 법칙을 충족하기 위해 다음 방정식이 사용됩니다.
일반적인 경우 질량 보존 방정식은 액체가 있는 셀로 유입되는 순 질량 흐름과 동일하며 다음 공식으로 결정됩니다.
뉴턴의 두 번째 법칙에 따르면 액체 입자의 운동량 변화율은 입자에 작용하는 힘의 합과 같으며 일반적인 운동량 보존 방정식은 벡터 형식으로 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
위의 방정식에서 ∇p, ∇∙τij 및 ρg는 각각 압력, 점도 및 중력을 나타냅니다.기계에서 냉각제로 사용되는 냉각 매체(공기, 물, 오일 등)는 일반적으로 뉴턴식으로 간주됩니다.여기에 표시된 방정식에는 전단 응력과 전단 방향에 수직인 속도 구배(변형률) 사이의 선형 관계만 포함됩니다.일정한 점도와 정상 흐름을 고려하면 방정식 (12)를 31로 변경할 수 있습니다.
열역학 제1법칙에 따르면 액체 입자의 에너지 변화율은 액체 입자가 생성한 순 열과 액체 입자가 생성한 순 전력의 합과 같습니다.Newtonian 압축성 점성 흐름의 경우 에너지 보존 방정식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
여기서 Cp는 일정한 압력에서의 열용량이고 ∇·(k∇T) 항은 액체 셀 경계를 통한 열전도율과 관련이 있으며 k는 열전도율을 나타냅니다.기계적 에너지를 열로 변환하는 것은 \(\varnothing\)(즉, 점성 소산 함수)로 간주되며 다음과 같이 정의됩니다.
\(\rho\)는 액체의 밀도, \(\mu\)는 액체의 점도, u, v 및 w는 각각 액체 속도의 x, y, z 방향의 포텐셜입니다.이 용어는 기계적 에너지를 열 에너지로 변환하는 것을 설명하며 유체의 점도가 매우 높고 유체의 속도 구배가 매우 큰 경우에만 중요하기 때문에 무시할 수 있습니다.정상 흐름, 일정한 비열 및 열전도율의 경우 에너지 방정식은 다음과 같이 수정됩니다.
이러한 기본 방정식은 데카르트 좌표계에서 층류에 대해 해결됩니다.그러나 다른 많은 기술적 문제와 마찬가지로 전기 기계의 작동은 주로 난류와 관련이 있습니다.따라서 이러한 방정식은 수정되어 난류 모델링을 위한 Reynolds Navier-Stokes(RANS) 평균화 방법을 형성합니다.
이 작업에서는 고려된 모델과 같이 해당 경계 조건을 가진 CFD 모델링을 위한 ANSYS FLUENT 2021 프로그램이 선택되었습니다. 고정자 83.56mm(내부) 및 190mm(외부), 에어 갭 1.38mm, 총 길이 234mm, 리브의 두께 3mm..
그런 다음 SolidWorks 공랭식 엔진 모델을 ANSYS Fluent로 가져와 시뮬레이션합니다.또한 얻은 결과를 확인하여 수행된 시뮬레이션의 정확성을 확인합니다.또한 통합 공랭식 및 수냉식 IM은 SolidWorks 2017 소프트웨어를 사용하여 모델링하고 ANSYS Fluent 2021 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션했습니다(그림 4).
이 모델의 설계 및 치수는 Siemens 1LA9 알루미늄 시리즈에서 영감을 받아 SolidWorks 2017에서 모델링되었습니다. 모델은 시뮬레이션 소프트웨어의 요구 사항에 맞게 약간 수정되었습니다.ANSYS Workbench 2021로 모델링할 때 불필요한 부분을 제거하고 필렛, 모따기 등을 제거하여 CAD 모델을 수정합니다.
디자인 혁신은 첫 번째 모델의 시뮬레이션 결과에서 길이가 결정된 워터 재킷입니다.ANSYS에서 허리를 사용할 때 최상의 결과를 얻기 위해 워터 재킷 시뮬레이션이 일부 변경되었습니다.IM의 다양한 부분이 그림에 나와 있습니다.5a-f.
(ㅏ).로터 코어 및 IM 샤프트.(b) IM 고정자 코어.(c) IM 고정자 권선.(d) MI의 외부 프레임.(e) IM 워터 재킷.f) 공랭식 및 수냉식 IM 모델의 조합.
샤프트 장착형 팬은 핀 표면에 10m/s의 일정한 공기 흐름과 30°C의 온도를 제공합니다.비율의 값은 이 문서에서 분석된 혈압의 용량에 따라 무작위로 선택되며 이는 문헌에 표시된 것보다 큽니다.핫 존에는 회전자, 고정자, 고정자 권선 및 회전자 케이지 바가 포함됩니다.고정자와 회전자의 재질은 강철, 권선과 케이지 로드는 구리, 프레임과 리브는 알루미늄입니다.이러한 부분에서 발생하는 열은 외부 전류가 구리 코일을 통과할 때 줄 열(Joule heating)과 같은 전자기 현상과 자기장의 변화에 기인합니다.다양한 구성 요소의 열 방출률은 100kW IM에 사용할 수 있는 다양한 문헌에서 가져왔습니다.
통합 공랭식 및 수냉식 IM에는 위의 조건 외에도 워터 재킷이 포함되어 있어 다양한 유속(5 l/min, 10 l/min)에 대해 열 전달 기능 및 펌프 전력 요구 사항을 분석했습니다. 및 15리터/분).이 밸브는 5L/min 미만의 흐름에 대해 결과가 크게 변하지 않았기 때문에 최소 밸브로 선택되었습니다.또한, 온도가 계속해서 떨어지는 사실에도 불구하고 펌핑 파워가 상당히 증가했기 때문에 15L/min의 유속을 최대값으로 선택했습니다.
다양한 IM 모델을 ANSYS Fluent로 가져오고 ANSYS Design Modeler를 사용하여 추가로 편집했습니다.또한 AD 주변에 0.3×0.3×0.5m 크기의 상자 모양 케이싱을 만들어 엔진 주변 공기의 움직임을 분석하고 대기로 열을 제거하는 방법을 연구했다.통합 공랭식 및 수냉식 IM에 대해 유사한 분석이 수행되었습니다.
IM 모델은 CFD 및 FEM 수치 방법을 사용하여 모델링됩니다.메쉬는 솔루션을 찾기 위해 도메인을 특정 수의 구성 요소로 나누기 위해 CFD에 구축됩니다.적절한 요소 크기를 가진 사면체 메쉬는 엔진 구성 요소의 일반적인 복잡한 형상에 사용됩니다.모든 인터페이스는 정확한 표면 열 전달 결과를 얻기 위해 10개의 레이어로 채워졌습니다.두 MI 모델의 그리드 기하학은 Fig.6a, b.
에너지 방정식을 통해 엔진의 다양한 영역에서 열 전달을 연구할 수 있습니다.외부 표면 주변의 난류를 모델링하기 위해 표준 벽 함수를 사용하는 K-epsilon 난류 모델을 선택했습니다.이 모델은 운동 에너지(Ek)와 난류 소산(엡실론)을 고려합니다.구리, 알루미늄, 강철, 공기 및 물은 각각의 응용 분야에서 사용하기 위한 표준 속성으로 선택되었습니다.방열 속도(표 2 참조)가 입력으로 제공되고 서로 다른 배터리 영역 조건이 15, 17, 28, 32로 설정됩니다. 모터 케이스 위의 공기 속도는 두 모터 모델 모두에 대해 10m/s로 설정되었으며 또한 워터 재킷에 대해 세 가지 다른 물 속도(5 l/min, 10 l/min 및 15 l/min)를 고려했습니다.정확도를 높이기 위해 모든 방정식의 잔차를 1 × 10-6으로 설정했습니다.SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Equations) 알고리즘을 선택하여 Navier Prime(NS) 방정식을 풉니다.하이브리드 초기화가 완료되면 그림 7과 같이 설정이 500회 반복 실행됩니다.
게시 시간: 2023년 7월 24일