એર-કૂલ્ડ સિસ્ટમ અને એકીકૃત વોટર-કૂલિંગ સિસ્ટમને જોડીને ઇન્ડક્શન મોટર્સનું થર્મલ મેનેજમેન્ટ વિશ્લેષણ

Nature.com ની મુલાકાત લેવા બદલ આભાર.તમે મર્યાદિત CSS સપોર્ટ સાથે બ્રાઉઝર સંસ્કરણનો ઉપયોગ કરી રહ્યાં છો.શ્રેષ્ઠ અનુભવ માટે, અમે ભલામણ કરીએ છીએ કે તમે અપડેટ કરેલ બ્રાઉઝરનો ઉપયોગ કરો (અથવા Internet Explorer માં સુસંગતતા મોડને અક્ષમ કરો).આ દરમિયાન, ચાલુ સમર્થનની ખાતરી કરવા માટે, અમે શૈલીઓ અને JavaScript વિના સાઇટ બતાવી રહ્યા છીએ.
એન્જિનના સંચાલન ખર્ચ અને આયુષ્યને લીધે, યોગ્ય એન્જિન થર્મલ મેનેજમેન્ટ વ્યૂહરચના અત્યંત મહત્વપૂર્ણ છે.આ લેખે વધુ સારી ટકાઉપણું પ્રદાન કરવા અને કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવા માટે ઇન્ડક્શન મોટર્સ માટે થર્મલ મેનેજમેન્ટ વ્યૂહરચના વિકસાવી છે.વધુમાં, એન્જિન ઠંડકની પદ્ધતિઓ પરના સાહિત્યની વિસ્તૃત સમીક્ષા કરવામાં આવી હતી.મુખ્ય પરિણામ તરીકે, ગરમીના વિતરણની જાણીતી સમસ્યાને ધ્યાનમાં લેતા, હાઇ-પાવર એર-કૂલ્ડ અસિંક્રોનસ મોટરની થર્મલ ગણતરી આપવામાં આવે છે.વધુમાં, આ અભ્યાસ વર્તમાન જરૂરિયાતોને પહોંચી વળવા માટે બે અથવા વધુ ઠંડક વ્યૂહરચનાઓ સાથે સંકલિત અભિગમની દરખાસ્ત કરે છે.100 kW એર-કૂલ્ડ અસિંક્રોનસ મોટરના મોડલ અને તે જ મોટરના સુધારેલ થર્મલ મેનેજમેન્ટ મોડલનો આંકડાકીય અભ્યાસ, જ્યાં એર કૂલિંગ અને એકીકૃત વોટર કૂલિંગ સિસ્ટમના મિશ્રણ દ્વારા મોટર કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર વધારો થાય છે. હાથ ધરવામાં આવે છે.સોલિડવર્ક્સ 2017 અને ANSYS ફ્લુએન્ટ 2021 વર્ઝનનો ઉપયોગ કરીને એકીકૃત એર-કૂલ્ડ અને વોટર-કૂલ્ડ સિસ્ટમનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો.ત્રણ અલગ-અલગ પાણીના પ્રવાહો (5 L/min, 10 L/min, અને 15 L/min) પરંપરાગત એર-કૂલ્ડ ઇન્ડક્શન મોટર્સ સામે પૃથ્થકરણ કરવામાં આવ્યા હતા અને ઉપલબ્ધ પ્રકાશિત સંસાધનોનો ઉપયોગ કરીને ચકાસવામાં આવ્યા હતા.વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે વિવિધ પ્રવાહ દરો માટે (અનુક્રમે 5 L/મિનિટ, 10 L/min અને 15 L/min) અમે 2.94%, 4.79% અને 7.69% ના અનુરૂપ તાપમાનમાં ઘટાડો મેળવ્યો છે.તેથી, પરિણામો દર્શાવે છે કે એમ્બેડેડ ઇન્ડક્શન મોટર એર-કૂલ્ડ ઇન્ડક્શન મોટરની તુલનામાં તાપમાનને અસરકારક રીતે ઘટાડી શકે છે.
ઇલેક્ટ્રિક મોટર આધુનિક ઇજનેરી વિજ્ઞાનની ચાવીરૂપ શોધોમાંની એક છે.ઓટોમોટિવ અને એરોસ્પેસ ઉદ્યોગો સહિત ઘરગથ્થુ ઉપકરણોથી લઈને વાહનો સુધીની દરેક વસ્તુમાં ઇલેક્ટ્રિક મોટરનો ઉપયોગ થાય છે.તાજેતરના વર્ષોમાં, ઇન્ડક્શન મોટર્સ (AM) ની લોકપ્રિયતા તેમના ઉચ્ચ પ્રારંભિક ટોર્ક, સારી ગતિ નિયંત્રણ અને મધ્યમ ઓવરલોડ ક્ષમતા (ફિગ. 1) ને કારણે વધી છે.ઇન્ડક્શન મોટર્સ ફક્ત તમારા લાઇટ બલ્બને જ ચમકાવતી નથી, તે તમારા ટૂથબ્રશથી લઈને તમારા ટેસ્લા સુધી તમારા ઘરના મોટાભાગના ગેજેટ્સને પાવર આપે છે.IM માં યાંત્રિક ઊર્જા સ્ટેટર અને રોટર વિન્ડિંગ્સના ચુંબકીય ક્ષેત્રના સંપર્ક દ્વારા બનાવવામાં આવે છે.વધુમાં, દુર્લભ પૃથ્વી ધાતુઓના મર્યાદિત પુરવઠાને કારણે IM એ એક સક્ષમ વિકલ્પ છે.જો કે, ADs નો મુખ્ય ગેરલાભ એ છે કે તેમનું જીવનકાળ અને કાર્યક્ષમતા તાપમાન પ્રત્યે ખૂબ જ સંવેદનશીલ હોય છે.ઇન્ડક્શન મોટર્સ વિશ્વની લગભગ 40% વીજળીનો વપરાશ કરે છે, જે આપણને વિચારવા તરફ દોરી જાય છે કે આ મશીનોના વીજ વપરાશનું સંચાલન કરવું મહત્વપૂર્ણ છે.
એરેનિયસ સમીકરણ જણાવે છે કે ઓપરેટિંગ તાપમાનમાં દર 10 ° સે વધારા માટે, સમગ્ર એન્જિનનું જીવન અડધું થઈ જાય છે.તેથી, વિશ્વસનીયતા સુનિશ્ચિત કરવા અને મશીનની ઉત્પાદકતા વધારવા માટે, બ્લડ પ્રેશરના થર્મલ નિયંત્રણ પર ધ્યાન આપવું જરૂરી છે.ભૂતકાળમાં, થર્મલ વિશ્લેષણની અવગણના કરવામાં આવી છે અને મોટર ડિઝાઇનરોએ ડિઝાઇન અનુભવ અથવા અન્ય પરિમાણીય ચલો જેમ કે વિન્ડિંગ કરંટ ડેન્સિટી વગેરેના આધારે સમસ્યાને માત્ર પરિઘ પર જ ધ્યાનમાં લીધી છે. આ અભિગમો સૌથી ખરાબ માટે મોટા સલામતી માર્જિન લાગુ કરવા તરફ દોરી જાય છે. કેસ હીટિંગ શરતો, જેના પરિણામે મશીનના કદમાં વધારો થાય છે અને તેથી ખર્ચમાં વધારો થાય છે.
થર્મલ વિશ્લેષણના બે પ્રકાર છે: લમ્પ્ડ સર્કિટ વિશ્લેષણ અને સંખ્યાત્મક પદ્ધતિઓ.વિશ્લેષણાત્મક પદ્ધતિઓનો મુખ્ય ફાયદો એ ગણતરીઓ ઝડપથી અને સચોટ રીતે કરવાની ક્ષમતા છે.જો કે, થર્મલ પાથનું અનુકરણ કરવા માટે પૂરતી ચોકસાઈ સાથે સર્કિટને વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે નોંધપાત્ર પ્રયત્નો કરવા જોઈએ.બીજી તરફ, સંખ્યાત્મક પદ્ધતિઓ અંદાજે કોમ્પ્યુટેશનલ ફ્લુઇડ ડાયનેમિક્સ (CFD) અને સ્ટ્રક્ચરલ થર્મલ એનાલિસિસ (STA)માં વિભાજિત કરવામાં આવે છે, જે બંને મર્યાદિત તત્વ વિશ્લેષણ (FEA) નો ઉપયોગ કરે છે.સંખ્યાત્મક વિશ્લેષણનો ફાયદો એ છે કે તે તમને ઉપકરણની ભૂમિતિનું મોડેલ બનાવવાની મંજૂરી આપે છે.જો કે, સિસ્ટમ સેટઅપ અને ગણતરીઓ ક્યારેક મુશ્કેલ હોઈ શકે છે.નીચે ચર્ચા કરાયેલા વૈજ્ઞાનિક લેખો વિવિધ આધુનિક ઇન્ડક્શન મોટર્સના થર્મલ અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક વિશ્લેષણના પસંદ કરેલા ઉદાહરણો છે.આ લેખોએ લેખકોને અસુમેળ મોટર્સમાં થર્મલ ઘટનાઓ અને તેમના ઠંડક માટેની પદ્ધતિઓનો અભ્યાસ કરવા માટે પ્રોત્સાહિત કર્યા.
Pil-Wan Han1 MI ના થર્મલ અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક વિશ્લેષણમાં રોકાયેલું હતું.લમ્પ્ડ સર્કિટ વિશ્લેષણ પદ્ધતિનો ઉપયોગ થર્મલ વિશ્લેષણ માટે થાય છે, અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક વિશ્લેષણ માટે સમય-વિવિધ ચુંબકીય મર્યાદિત તત્વ પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે.કોઈપણ ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશનમાં થર્મલ ઓવરલોડ સુરક્ષાને યોગ્ય રીતે પ્રદાન કરવા માટે, સ્ટેટર વિન્ડિંગના તાપમાનનો વિશ્વસનીય અંદાજ હોવો જોઈએ.અહેમદ એટ અલ.2 એ ડીપ થર્મલ અને થર્મોડાયનેમિક વિચારણાઓ પર આધારિત ઉચ્ચ ઓર્ડર હીટ નેટવર્ક મોડેલનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો.ઔદ્યોગિક થર્મલ પ્રોટેક્શન હેતુઓ માટે થર્મલ મોડેલિંગ પદ્ધતિઓનો વિકાસ વિશ્લેષણાત્મક ઉકેલો અને થર્મલ પરિમાણોની વિચારણાથી લાભ મેળવે છે.
નાયર એટ અલ.3 એ ઇલેક્ટ્રિકલ મશીનમાં થર્મલ વિતરણની આગાહી કરવા માટે 39 kW IM અને 3D સંખ્યાત્મક થર્મલ વિશ્લેષણના સંયુક્ત વિશ્લેષણનો ઉપયોગ કર્યો.યિંગ એટ અલ.4 એ 3D તાપમાનના અંદાજ સાથે ફેન-કૂલ્ડ સંપૂર્ણ બંધ (TEFC) IMsનું વિશ્લેષણ કર્યું.મૂન એટ અલ.5 એ CFD નો ઉપયોગ કરીને IM TEFC ના ઉષ્મા પ્રવાહ ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કર્યો.LPTN મોટર સંક્રમણ મોડલ ટોડ એટ અલ.6 દ્વારા આપવામાં આવ્યું હતું.પ્રાયોગિક તાપમાન ડેટાનો ઉપયોગ સૂચિત LPTN મોડલમાંથી મેળવેલ ગણતરી કરેલ તાપમાન સાથે કરવામાં આવે છે.પીટર એટ અલ.7 એ હવાના પ્રવાહનો અભ્યાસ કરવા માટે CFD નો ઉપયોગ કર્યો જે ઇલેક્ટ્રિક મોટર્સના થર્મલ વર્તનને અસર કરે છે.
Cabral et al8 એ એક સરળ IM થર્મલ મોડલનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો જેમાં સિલિન્ડર ગરમી પ્રસાર સમીકરણ લાગુ કરીને મશીનનું તાપમાન મેળવવામાં આવ્યું હતું.Nategh et al.9 એ ઑપ્ટિમાઇઝ ઘટકોની ચોકસાઈ ચકાસવા માટે CFD નો ઉપયોગ કરીને સ્વ-વેન્ટિલેટેડ ટ્રેક્શન મોટર સિસ્ટમનો અભ્યાસ કર્યો.આમ, સંખ્યાત્મક અને પ્રાયોગિક અભ્યાસોનો ઉપયોગ ઇન્ડક્શન મોટર્સના થર્મલ વિશ્લેષણનું અનુકરણ કરવા માટે થઈ શકે છે, ફિગ જુઓ.2.
યિન્યે એટ અલ.10 એ પ્રમાણભૂત સામગ્રીના સામાન્ય થર્મલ ગુણધર્મો અને મશીનના ભાગોના નુકશાનના સામાન્ય સ્ત્રોતોનો ઉપયોગ કરીને થર્મલ મેનેજમેન્ટને સુધારવા માટે ડિઝાઇનનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો.માર્કો એટ અલ.11 એ CFD અને LPTN મોડલ્સનો ઉપયોગ કરીને મશીન ઘટકો માટે કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ અને વોટર જેકેટ્સ ડિઝાઇન કરવા માટેના માપદંડો રજૂ કર્યા.Yaohui et al.12 યોગ્ય ઠંડક પદ્ધતિ પસંદ કરવા અને ડિઝાઇન પ્રક્રિયાની શરૂઆતમાં કામગીરીનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે વિવિધ માર્ગદર્શિકા પ્રદાન કરે છે.નેલ એટ અલ.13 એ મલ્ટિફિઝિક્સ સમસ્યા માટે આપેલ મૂલ્યોની શ્રેણી, વિગતના સ્તર અને કોમ્પ્યુટેશનલ પાવર માટે જોડી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક-થર્મલ સિમ્યુલેશન માટે મોડેલોનો ઉપયોગ કરવાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો.જીન એટ અલ.14 અને કિમ એટ અલ.15 એ 3D જોડી FEM ફીલ્ડનો ઉપયોગ કરીને એર-કૂલ્ડ ઇન્ડક્શન મોટરના તાપમાન વિતરણનો અભ્યાસ કર્યો.3D એડી વર્તમાન ફીલ્ડ વિશ્લેષણનો ઉપયોગ કરીને ઈનપુટ ડેટાની ગણતરી કરો અને જૌલની ખોટ શોધવા અને થર્મલ વિશ્લેષણ માટે તેનો ઉપયોગ કરો.
મિશેલ એટ અલ.16 એ સિમ્યુલેશન અને પ્રયોગો દ્વારા વિવિધ ડિઝાઇનના અક્ષીય ચાહકો સાથે પરંપરાગત કેન્દ્રત્યાગી કૂલિંગ ચાહકોની સરખામણી કરી.આમાંની એક ડિઝાઇને સમાન ઓપરેટિંગ તાપમાન જાળવી રાખીને એન્જિન કાર્યક્ષમતામાં નાના પરંતુ નોંધપાત્ર સુધારાઓ હાંસલ કર્યા છે.
લુ એટ અલ.17 એ ઇન્ડક્શન મોટરના શાફ્ટ પર લોખંડની ખોટનો અંદાજ કાઢવા માટે બોગલીટી મોડેલ સાથે સમકક્ષ ચુંબકીય સર્કિટ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કર્યો.લેખકો ધારે છે કે સ્પિન્ડલ મોટરની અંદર કોઈપણ ક્રોસ વિભાગમાં ચુંબકીય પ્રવાહ ઘનતાનું વિતરણ એકસમાન છે.તેઓએ તેમની પદ્ધતિની તુલના મર્યાદિત તત્વ વિશ્લેષણ અને પ્રાયોગિક મોડેલોના પરિણામો સાથે કરી.આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ MI ના સ્પષ્ટ વિશ્લેષણ માટે થઈ શકે છે, પરંતુ તેની ચોકસાઈ મર્યાદિત છે.
18 રેખીય ઇન્ડક્શન મોટર્સના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ક્ષેત્રનું વિશ્લેષણ કરવા માટે વિવિધ પદ્ધતિઓ રજૂ કરે છે.તેમાંથી, પ્રતિક્રિયાશીલ રેલ્સમાં પાવર લોસનો અંદાજ કાઢવા માટેની પદ્ધતિઓ અને ટ્રેક્શન રેખીય ઇન્ડક્શન મોટર્સના તાપમાનમાં વધારો થવાની આગાહી કરવાની પદ્ધતિઓ વર્ણવવામાં આવી છે.આ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ રેખીય ઇન્ડક્શન મોટર્સની ઊર્જા રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવા માટે થઈ શકે છે.
ઝબદુર એટ અલ.19 એ ત્રિ-પરિમાણીય સંખ્યાત્મક પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને કૂલિંગ જેકેટ્સની કામગીરીની તપાસ કરી.કુલિંગ જેકેટ ત્રણ-તબક્કાના IM માટે શીતકના મુખ્ય સ્ત્રોત તરીકે પાણીનો ઉપયોગ કરે છે, જે પમ્પિંગ માટે જરૂરી પાવર અને મહત્તમ તાપમાન માટે મહત્વપૂર્ણ છે.રિપલ એટ અલ.20 એ ટ્રાંસવર્સ લેમિનેટેડ કૂલિંગ તરીકે ઓળખાતી લિક્વિડ ઠંડક પ્રણાલી માટે એક નવો અભિગમ પેટન્ટ કર્યો છે, જેમાં રેફ્રિજન્ટ એકબીજાના ચુંબકીય લેમિનેશનમાં છિદ્રો દ્વારા રચાયેલા સાંકડા પ્રદેશોમાંથી ટ્રાંસવર્સલી વહે છે.ડેરીઝાડે એટ અલ.21 એ ઇથિલિન ગ્લાયકોલ અને પાણીના મિશ્રણનો ઉપયોગ કરીને ઓટોમોટિવ ઉદ્યોગમાં ટ્રેક્શન મોટર્સના ઠંડકની પ્રાયોગિક તપાસ કરી.CFD અને 3D ટર્બ્યુલન્ટ પ્રવાહી વિશ્લેષણ સાથે વિવિધ મિશ્રણોના પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરો.બૂપથી એટ અલ.22 દ્વારા કરવામાં આવેલ સિમ્યુલેશન અભ્યાસ દર્શાવે છે કે વોટર-કૂલ્ડ એન્જિન (17-124°C) માટે તાપમાનની શ્રેણી એર-કૂલ્ડ એન્જિન (104-250°C) કરતા નોંધપાત્ર રીતે ઓછી છે.એલ્યુમિનિયમ વોટર-કૂલ્ડ મોટરનું મહત્તમ તાપમાન 50.4% અને PA6GF30 વોટર-કૂલ્ડ મોટરનું મહત્તમ તાપમાન 48.4% ઘટ્યું છે.બેઝુકોવ એટ અલ.23 એ પ્રવાહી ઠંડક પ્રણાલી સાથે એન્જિન દિવાલની થર્મલ વાહકતા પર સ્કેલ રચનાની અસરનું મૂલ્યાંકન કર્યું.અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે 1.5 મીમી જાડા ઓક્સાઇડ ફિલ્મ હીટ ટ્રાન્સફરને 30% ઘટાડે છે, ઇંધણનો વપરાશ વધારે છે અને એન્જિન પાવર ઘટાડે છે.
Tanguy et al.24 એ શીતક તરીકે લ્યુબ્રિકેટિંગ તેલનો ઉપયોગ કરીને ઇલેક્ટ્રિક મોટર્સ માટે વિવિધ પ્રવાહ દર, તેલનું તાપમાન, રોટેશનલ સ્પીડ અને ઇન્જેક્શન મોડ્સ સાથે પ્રયોગો કર્યા.પ્રવાહ દર અને એકંદર ઠંડક કાર્યક્ષમતા વચ્ચે મજબૂત સંબંધ સ્થાપિત થયો છે.Ha et al.25 એ ઓઇલ ફિલ્મને સમાનરૂપે વિતરિત કરવા અને એન્જિન ઠંડકની કાર્યક્ષમતા વધારવા માટે નોઝલ તરીકે ડ્રિપ નોઝલનો ઉપયોગ કરવાનું સૂચન કર્યું છે.
નંદી એટ અલ.26 એ એન્જિનની કામગીરી અને થર્મલ મેનેજમેન્ટ પર L-આકારના ફ્લેટ હીટ પાઈપોની અસરનું વિશ્લેષણ કર્યું.હીટ પાઇપ બાષ્પીભવન કરનાર ભાગ મોટર કેસીંગમાં સ્થાપિત થાય છે અથવા મોટર શાફ્ટમાં દફનાવવામાં આવે છે, અને કન્ડેન્સર ભાગ સ્થાપિત થાય છે અને પ્રવાહી અથવા હવાને ફરતા કરીને ઠંડુ થાય છે.બેલેટ્રે એટ અલ.27 એ ક્ષણિક મોટર સ્ટેટર માટે PCM સોલિડ-લિક્વિડ કૂલિંગ સિસ્ટમનો અભ્યાસ કર્યો.પીસીએમ વિન્ડિંગ હેડ્સને ગર્ભિત કરે છે, સુપ્ત થર્મલ ઉર્જાનો સંગ્રહ કરીને હોટ સ્પોટ તાપમાન ઘટાડે છે.
આમ, મોટરની કામગીરી અને તાપમાનનું મૂલ્યાંકન વિવિધ ઠંડક વ્યૂહરચનાઓ દ્વારા કરવામાં આવે છે, ફિગ જુઓ.3. આ કૂલિંગ સર્કિટ વિન્ડિંગ્સ, પ્લેટ્સ, વિન્ડિંગ હેડ્સ, ચુંબક, શબ અને અંતિમ પ્લેટોના તાપમાનને નિયંત્રિત કરવા માટે રચાયેલ છે.
પ્રવાહી ઠંડક પ્રણાલીઓ તેમના કાર્યક્ષમ હીટ ટ્રાન્સફર માટે જાણીતી છે.જો કે, એન્જિનની આસપાસ શીતકને પંપ કરવાથી ઘણી ઊર્જાનો વપરાશ થાય છે, જે એન્જિનના અસરકારક પાવર આઉટપુટને ઘટાડે છે.બીજી તરફ, એર કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ તેમની ઓછી કિંમત અને અપગ્રેડની સરળતાને કારણે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિ છે.જો કે, તે હજુ પણ પ્રવાહી ઠંડક પ્રણાલી કરતાં ઓછી કાર્યક્ષમ છે.એક સંકલિત અભિગમની જરૂર છે જે વધારાની ઉર્જાનો ઉપયોગ કર્યા વિના એર-કૂલ્ડ સિસ્ટમની ઓછી કિંમત સાથે લિક્વિડ-કૂલ્ડ સિસ્ટમના ઉચ્ચ હીટ ટ્રાન્સફર પ્રદર્શનને જોડી શકે.
આ લેખ AD માં ગરમીના નુકસાનની સૂચિ અને વિશ્લેષણ કરે છે.આ સમસ્યાની મિકેનિઝમ, તેમજ ઇન્ડક્શન મોટર્સને ગરમ કરવા અને ઠંડક આપવાનું, ઠંડક વ્યૂહરચનાઓ દ્વારા ઇન્ડક્શન મોટર્સ વિભાગમાં હીટ લોસમાં સમજાવવામાં આવ્યું છે.ઇન્ડક્શન મોટરના કોરનું ગરમીનું નુકશાન ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે.તેથી, આ લેખ વહન અને ફરજિયાત સંવહન દ્વારા એન્જિનની અંદર હીટ ટ્રાન્સફરની પદ્ધતિની ચર્ચા કરે છે.સાતત્ય સમીકરણો, નેવિઅર-સ્ટોક્સ/મોમેન્ટમ સમીકરણો અને ઉર્જા સમીકરણોનો ઉપયોગ કરીને IM નું થર્મલ મોડેલિંગ નોંધાયું છે.સંશોધકોએ ઇલેક્ટ્રિક મોટરના થર્મલ શાસનને નિયંત્રિત કરવાના એકમાત્ર હેતુ માટે સ્ટેટર વિન્ડિંગ્સના તાપમાનનો અંદાજ કાઢવા IM ના વિશ્લેષણાત્મક અને સંખ્યાત્મક થર્મલ અભ્યાસો કર્યા.આ લેખ એર-કૂલ્ડ IMs ના થર્મલ વિશ્લેષણ અને CAD મોડેલિંગ અને ANSYS ફ્લુએન્ટ સિમ્યુલેશનનો ઉપયોગ કરીને એકીકૃત એર-કૂલ્ડ અને વોટર-કૂલ્ડ IMs ના થર્મલ વિશ્લેષણ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે.અને એર-કૂલ્ડ અને વોટર-કૂલ્ડ સિસ્ટમ્સના સંકલિત સુધારેલા મોડલના થર્મલ ફાયદાઓનું ઊંડાણપૂર્વક વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે.ઉપર સૂચવ્યા મુજબ, અહીં સૂચિબદ્ધ દસ્તાવેજો થર્મલ ઘટના અને ઇન્ડક્શન મોટર્સના ઠંડકના ક્ષેત્રમાં કલાની સ્થિતિનો સારાંશ નથી, પરંતુ તે ઘણી સમસ્યાઓ સૂચવે છે જેને ઇન્ડક્શન મોટર્સની વિશ્વસનીય કામગીરીની ખાતરી કરવા માટે હલ કરવાની જરૂર છે. .
ગરમીના નુકશાનને સામાન્ય રીતે તાંબાની ખોટ, આયર્નની ખોટ અને ઘર્ષણ/યાંત્રિક નુકશાનમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે.
તાંબાની ખોટ એ કંડક્ટરની પ્રતિકારકતાને કારણે જૌલ હીટિંગનું પરિણામ છે અને તેને 10.28 તરીકે માપી શકાય છે:
જ્યાં q̇g એ ઉત્પન્ન થતી ગરમી છે, I અને Ve અનુક્રમે નજીવા પ્રવાહ અને વોલ્ટેજ છે, અને Re એ તાંબાનો પ્રતિકાર છે.
આયર્નની ખોટ, જેને પરોપજીવી નુકશાન તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે બીજા મુખ્ય પ્રકારનું નુકશાન છે જે AM માં હિસ્ટેરેસિસ અને એડી વર્તમાન નુકશાનનું કારણ બને છે, જે મુખ્યત્વે સમય-વિવિધ ચુંબકીય ક્ષેત્રને કારણે થાય છે.તેઓ વિસ્તૃત સ્ટેઈનમેટ્ઝ સમીકરણ દ્વારા પરિમાણિત થાય છે, જેના ગુણાંકને ઓપરેટિંગ શરતો 10,28,29 પર આધાર રાખીને સ્થિર અથવા ચલ ગણી શકાય.
જ્યાં Khn એ કોર લોસ ડાયાગ્રામમાંથી મેળવેલ હિસ્ટેરેસીસ નુકશાન પરિબળ છે, કેન એડી વર્તમાન નુકશાન પરિબળ છે, N હાર્મોનિક ઇન્ડેક્સ છે, Bn અને f અનુક્રમે બિન-સાઇનસોઇડલ ઉત્તેજનાની પીક ફ્લક્સ ઘનતા અને આવર્તન છે.ઉપરોક્ત સમીકરણને નીચે પ્રમાણે વધુ સરળ બનાવી શકાય છે 10,29:
તેમાંથી, K1 અને K2 અનુક્રમે મુખ્ય નુકશાન પરિબળ અને એડી કરંટ નુકશાન (qec), હિસ્ટેરેસીસ નુકશાન (qh), અને વધારાનું નુકશાન (qex) છે.
પવનનો ભાર અને ઘર્ષણ નુકસાન એ IM માં યાંત્રિક નુકસાનના બે મુખ્ય કારણો છે.પવન અને ઘર્ષણના નુકસાન 10 છે,
સૂત્રમાં, n એ રોટેશનલ સ્પીડ છે, Kfb એ ઘર્ષણની ખોટનો ગુણાંક છે, D એ રોટરનો બાહ્ય વ્યાસ છે, l રોટરની લંબાઈ છે, G એ રોટર 10 નું વજન છે.
એન્જિનમાં હીટ ટ્રાન્સફર માટેની પ્રાથમિક પદ્ધતિ વહન અને આંતરિક ગરમી દ્વારા છે, જે આ ઉદાહરણ પર લાગુ પોઈસન સમીકરણ 30 દ્વારા નિર્ધારિત છે:
ઓપરેશન દરમિયાન, ચોક્કસ સમય પછી જ્યારે મોટર સ્થિર સ્થિતિમાં પહોંચે છે, ત્યારે ઉત્પન્ન થતી ગરમી સપાટીના ગરમીના પ્રવાહની સતત ગરમી દ્વારા અંદાજિત કરી શકાય છે.તેથી, એવું માની શકાય છે કે એન્જિનની અંદર વહન આંતરિક ગરમીના પ્રકાશન સાથે હાથ ધરવામાં આવે છે.
જ્યારે બાહ્ય બળ દ્વારા પ્રવાહીને ચોક્કસ દિશામાં ખસેડવાની ફરજ પાડવામાં આવે છે ત્યારે ફિન્સ અને આસપાસના વાતાવરણ વચ્ચેના ગરમીના સ્થાનાંતરણને ફરજિયાત સંવહન ગણવામાં આવે છે.સંવહન 30 તરીકે વ્યક્ત કરી શકાય છે:
જ્યાં h એ હીટ ટ્રાન્સફર ગુણાંક છે (W/m2 K), A એ સપાટીનું ક્ષેત્રફળ છે, અને ΔT એ હીટ ટ્રાન્સફર સપાટી અને સપાટી પર લંબરૂપ રેફ્રિજન્ટ વચ્ચેના તાપમાનનો તફાવત છે.નુસેલ્ટ નંબર (Nu) એ સીમા પર લંબરૂપ સંવહન અને વાહક હીટ ટ્રાન્સફરના ગુણોત્તરનું માપ છે અને તે લેમિનર અને તોફાની પ્રવાહની લાક્ષણિકતાઓના આધારે પસંદ કરવામાં આવે છે.પ્રયોગમૂલક પદ્ધતિ અનુસાર, તોફાની પ્રવાહનો નુસેલ્ટ નંબર સામાન્ય રીતે રેનોલ્ડ્સ નંબર અને પ્રાન્ડટીલ નંબર સાથે સંકળાયેલો હોય છે, જેને 30 તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે:
જ્યાં h એ સંવહનીય હીટ ટ્રાન્સફર ગુણાંક છે (W/m2 K), l એ લાક્ષણિક લંબાઈ છે, λ એ પ્રવાહીની થર્મલ વાહકતા છે (W/m K), અને Prandtl નંબર (Pr) એ ગુણોત્તરનું માપ છે થર્મલ ડિફ્યુસિવિટી (અથવા વેગ અને થર્મલ બાઉન્ડ્રી લેયરની સંબંધિત જાડાઈ) માટે વેગ પ્રસરણ ગુણાંક, 30 તરીકે વ્યાખ્યાયિત:
જ્યાં k અને cp અનુક્રમે પ્રવાહીની થર્મલ વાહકતા અને વિશિષ્ટ ઉષ્મા ક્ષમતા છે.સામાન્ય રીતે, ઇલેક્ટ્રિક મોટર્સ માટે હવા અને પાણી સૌથી સામાન્ય શીતક છે.આજુબાજુના તાપમાને હવા અને પાણીના પ્રવાહી ગુણધર્મો કોષ્ટક 1 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે.
IM થર્મલ મોડેલિંગ નીચેની ધારણાઓ પર આધારિત છે: 3D સ્થિર સ્થિતિ, અશાંત પ્રવાહ, હવા એક આદર્શ ગેસ છે, નગણ્ય કિરણોત્સર્ગ, ન્યુટોનિયન પ્રવાહી, અસ્પષ્ટ પ્રવાહી, નો-સ્લિપ સ્થિતિ અને સતત ગુણધર્મો.તેથી, નીચેના સમીકરણોનો ઉપયોગ પ્રવાહી પ્રદેશમાં સમૂહ, વેગ અને ઊર્જાના સંરક્ષણના નિયમોને પરિપૂર્ણ કરવા માટે થાય છે.
સામાન્ય કિસ્સામાં, સામૂહિક સંરક્ષણ સમીકરણ એ સૂત્ર દ્વારા નિર્ધારિત, પ્રવાહી સાથેના કોષમાં ચોખ્ખા સમૂહ પ્રવાહની બરાબર છે:
ન્યૂટનના બીજા નિયમ મુજબ, પ્રવાહી કણના વેગના ફેરફારનો દર તેના પર કાર્ય કરતા દળોના સરવાળા જેટલો હોય છે અને સામાન્ય વેગ સંરક્ષણ સમીકરણ વેક્ટર સ્વરૂપમાં આ રીતે લખી શકાય છે:
ઉપરોક્ત સમીકરણમાં ∇p, ∇∙τij અને ρg અનુક્રમે દબાણ, સ્નિગ્ધતા અને ગુરુત્વાકર્ષણ દર્શાવે છે.મશીનોમાં શીતક તરીકે ઉપયોગમાં લેવાતા ઠંડક માધ્યમો (હવા, પાણી, તેલ વગેરે) સામાન્ય રીતે ન્યુટોનિયન માનવામાં આવે છે.અહી બતાવેલ સમીકરણોમાં માત્ર શીયર સ્ટ્રેસ અને શીયર દિશામાં લંબરૂપ વેગ ગ્રેડિયન્ટ (તાણ દર) વચ્ચેનો રેખીય સંબંધ શામેલ છે.સતત સ્નિગ્ધતા અને સ્થિર પ્રવાહને ધ્યાનમાં લેતા, સમીકરણ (12) ને 31 માં બદલી શકાય છે:
થર્મોડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમ અનુસાર, પ્રવાહી કણની ઊર્જામાં ફેરફારનો દર પ્રવાહી કણ દ્વારા ઉત્પન્ન થતી ચોખ્ખી ઉષ્મા અને પ્રવાહી કણ દ્વારા ઉત્પાદિત ચોખ્ખી શક્તિના સરવાળા જેટલો હોય છે.ન્યુટોનિયન સંકુચિત ચીકણું પ્રવાહ માટે, ઉર્જા સંરક્ષણ સમીકરણને 31 તરીકે વ્યક્ત કરી શકાય છે:
જ્યાં Cp એ સતત દબાણ પર ગરમીની ક્ષમતા છે, અને શબ્દ ∇ ∙ (k∇T) પ્રવાહી કોષની સીમા દ્વારા થર્મલ વાહકતા સાથે સંબંધિત છે, જ્યાં k થર્મલ વાહકતાને સૂચવે છે.ગરમીમાં યાંત્રિક ઉર્જાના રૂપાંતરને \(\varnothing\) (એટલે ​​​​કે, ચીકણું વિસર્જન કાર્ય) ની દ્રષ્ટિએ ગણવામાં આવે છે અને તેને આ રીતે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે:
જ્યાં \(\rho\) પ્રવાહીની ઘનતા છે, \(\mu\) એ પ્રવાહીની સ્નિગ્ધતા છે, u, v અને w અનુક્રમે પ્રવાહી વેગની x, y, z દિશાની સંભવિતતા છે.આ શબ્દ યાંત્રિક ઊર્જાના થર્મલ ઊર્જામાં રૂપાંતરનું વર્ણન કરે છે અને તેને અવગણી શકાય છે કારણ કે તે ત્યારે જ મહત્વપૂર્ણ છે જ્યારે પ્રવાહીની સ્નિગ્ધતા ખૂબ ઊંચી હોય અને પ્રવાહીનો વેગ ઢાળ ઘણો મોટો હોય.સ્થિર પ્રવાહ, સતત ચોક્કસ ઉષ્મા અને થર્મલ વાહકતાના કિસ્સામાં, ઉર્જા સમીકરણ નીચે પ્રમાણે સંશોધિત થાય છે:
આ મૂળભૂત સમીકરણો કાર્ટેશિયન કોઓર્ડિનેટ સિસ્ટમમાં લેમિનર ફ્લો માટે ઉકેલવામાં આવે છે.જો કે, અન્ય ઘણી તકનીકી સમસ્યાઓની જેમ, ઇલેક્ટ્રિકલ મશીનોનું સંચાલન મુખ્યત્વે તોફાની પ્રવાહ સાથે સંકળાયેલું છે.તેથી, આ સમીકરણોને રેનોલ્ડ્સ નેવિઅર-સ્ટોક્સ (RANS) ટર્બ્યુલન્સ મોડેલિંગ માટે સરેરાશ પદ્ધતિ બનાવવા માટે સંશોધિત કરવામાં આવે છે.
આ કાર્યમાં, અનુરૂપ સીમાની પરિસ્થિતિઓ સાથે CFD મોડેલિંગ માટે ANSYS FLUENT 2021 પ્રોગ્રામ પસંદ કરવામાં આવ્યો હતો, જેમ કે માનવામાં આવેલું મોડેલ: 100 kW ની ક્ષમતા સાથે એર કૂલિંગ સાથેનું અસુમેળ એન્જિન, રોટરનો વ્યાસ 80.80 mm, વ્યાસ સ્ટેટરનું 83.56 મીમી (આંતરિક) અને 190 મીમી (બાહ્ય), 1.38 મીમીનું હવાનું અંતર, 234 મીમીની કુલ લંબાઈ, જથ્થો , પાંસળીની જાડાઈ 3 મીમી..
સોલિડવર્ક્સ એર-કૂલ્ડ એન્જિન મોડલ પછી ANSYS ફ્લુઅન્ટ અને સિમ્યુલેટેડમાં આયાત કરવામાં આવે છે.વધુમાં, મેળવેલા પરિણામોની ચકાસણી કરવામાં આવે છે જેથી કરવામાં આવેલ સિમ્યુલેશનની ચોકસાઈની ખાતરી કરવામાં આવે.વધુમાં, સોલિડવર્કસ 2017 સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને એકીકૃત એર- અને વોટર-કૂલ્ડ IMનું મોડેલિંગ કરવામાં આવ્યું હતું અને ANSYS ફ્લુએન્ટ 2021 સોફ્ટવેર (આકૃતિ 4)નો ઉપયોગ કરીને સિમ્યુલેટ કરવામાં આવ્યું હતું.
આ મોડેલની ડિઝાઇન અને પરિમાણો સિમેન્સ 1LA9 એલ્યુમિનિયમ શ્રેણીથી પ્રેરિત છે અને સોલિડવર્કસ 2017 માં મોડેલ કરવામાં આવ્યું છે. સિમ્યુલેશન સોફ્ટવેરની જરૂરિયાતોને અનુરૂપ મોડેલમાં થોડો ફેરફાર કરવામાં આવ્યો છે.ANSYS વર્કબેન્ચ 2021 સાથે મોડેલિંગ કરતી વખતે અનિચ્છનીય ભાગોને દૂર કરીને, ફિલેટ્સ, ચેમ્ફર્સ અને વધુને દૂર કરીને CAD મોડલ્સમાં ફેરફાર કરો.
ડિઝાઇનની નવીનતા એ વોટર જેકેટ છે, જેની લંબાઈ પ્રથમ મોડેલના સિમ્યુલેશન પરિણામો પરથી નક્કી કરવામાં આવી હતી.ANSYS માં કમરનો ઉપયોગ કરતી વખતે શ્રેષ્ઠ પરિણામો મેળવવા માટે વોટર જેકેટ સિમ્યુલેશનમાં કેટલાક ફેરફારો કરવામાં આવ્યા છે.IM ના વિવિધ ભાગો ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે.5a–f.
(એ).રોટર કોર અને IM શાફ્ટ.(b) IM સ્ટેટર કોર.(c) IM સ્ટેટર વિન્ડિંગ.(d) MI ની બાહ્ય ફ્રેમ.(e) IM વોટર જેકેટ.f) એર અને વોટર કૂલ્ડ IM મોડલ્સનું સંયોજન.
શાફ્ટ-માઉન્ટેડ પંખો 10 m/s નો સતત હવાનો પ્રવાહ અને ફિન્સની સપાટી પર 30 °C તાપમાન પ્રદાન કરે છે.દરનું મૂલ્ય આ લેખમાં વિશ્લેષણ કરાયેલ બ્લડ પ્રેશરની ક્ષમતાના આધારે રેન્ડમ રીતે પસંદ કરવામાં આવે છે, જે સાહિત્યમાં દર્શાવેલ કરતાં વધારે છે.હોટ ઝોનમાં રોટર, સ્ટેટર, સ્ટેટર વિન્ડિંગ્સ અને રોટર કેજ બારનો સમાવેશ થાય છે.સ્ટેટર અને રોટરની સામગ્રી સ્ટીલ છે, વિન્ડિંગ્સ અને કેજ સળિયા કોપર છે, ફ્રેમ અને પાંસળી એલ્યુમિનિયમ છે.આ વિસ્તારોમાં ઉત્પન્ન થતી ગરમી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઘટનાઓને કારણે છે, જેમ કે તાંબાના કોઇલમાંથી જ્યારે બાહ્ય પ્રવાહ પસાર થાય છે ત્યારે જૌલ ગરમ થાય છે, તેમજ ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ફેરફાર થાય છે.100 kW IM માટે ઉપલબ્ધ વિવિધ સાહિત્યમાંથી વિવિધ ઘટકોના હીટ રીલીઝ દરો લેવામાં આવ્યા હતા.
ઈન્ટિગ્રેટેડ એર-કૂલ્ડ અને વોટર-કૂલ્ડ IM, ઉપરોક્ત શરતો ઉપરાંત, વોટર જેકેટનો પણ સમાવેશ થાય છે, જેમાં વિવિધ પાણીના પ્રવાહ દરો (5 l/min, 10 l/min) માટે હીટ ટ્રાન્સફર ક્ષમતાઓ અને પંપ પાવર આવશ્યકતાઓનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. અને 15 લિ/મિનિટ).આ વાલ્વને ન્યૂનતમ વાલ્વ તરીકે પસંદ કરવામાં આવ્યો હતો, કારણ કે 5 L/મિનિટથી નીચેના પ્રવાહ માટે પરિણામો નોંધપાત્ર રીતે બદલાયા નથી.વધુમાં, મહત્તમ મૂલ્ય તરીકે 15 એલ/મિનિટનો પ્રવાહ દર પસંદ કરવામાં આવ્યો હતો, કારણ કે તાપમાન સતત ઘટી રહ્યું હોવા છતાં પમ્પિંગ પાવર નોંધપાત્ર રીતે વધ્યો હતો.
ANSYS ફ્લુએન્ટમાં વિવિધ IM મોડલ્સ આયાત કરવામાં આવ્યા હતા અને ANSYS ડિઝાઇન મોડલરનો ઉપયોગ કરીને વધુ સંપાદિત કરવામાં આવ્યા હતા.આગળ, એન્જિનની આસપાસ હવાની હિલચાલનું પૃથ્થકરણ કરવા અને વાતાવરણમાં ગરમી દૂર કરવાના અભ્યાસ માટે AD ની આસપાસ 0.3 × 0.3 × 0.5 મીટરના પરિમાણો સાથે બોક્સ આકારનું આવરણ બનાવવામાં આવ્યું હતું.સંકલિત એર- અને વોટર-કૂલ્ડ IM માટે સમાન વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યા હતા.
IM મોડલ CFD અને FEM સંખ્યાત્મક પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને તૈયાર કરવામાં આવે છે.ઉકેલ શોધવા માટે ડોમેનને ચોક્કસ સંખ્યામાં ઘટકોમાં વિભાજીત કરવા માટે CFD માં મેશ બનાવવામાં આવે છે.એન્જિનના ઘટકોની સામાન્ય જટિલ ભૂમિતિ માટે યોગ્ય તત્વ કદ સાથે ટેટ્રાહેડ્રલ મેશનો ઉપયોગ થાય છે.સચોટ સપાટીના હીટ ટ્રાન્સફર પરિણામો મેળવવા માટે તમામ ઇન્ટરફેસ 10 સ્તરોથી ભરેલા હતા.બે MI મોડલની ગ્રીડ ભૂમિતિ ફિગમાં બતાવવામાં આવી છે.6 એ, બી.
ઊર્જા સમીકરણ તમને એન્જિનના વિવિધ વિસ્તારોમાં હીટ ટ્રાન્સફરનો અભ્યાસ કરવાની મંજૂરી આપે છે.સ્ટાન્ડર્ડ વોલ ફંક્શન્સ સાથેનું કે-એપ્સીલોન ટર્બ્યુલન્સ મોડલ બાહ્ય સપાટીની આસપાસના અશાંતિનું મોડેલ બનાવવા માટે પસંદ કરવામાં આવ્યું હતું.મોડેલ ગતિ ઊર્જા (Ek) અને અશાંત વિસર્જન (એપ્સીલોન) ને ધ્યાનમાં લે છે.કોપર, એલ્યુમિનિયમ, સ્ટીલ, હવા અને પાણીને તેમના સંબંધિત એપ્લિકેશનમાં ઉપયોગ માટે તેમના પ્રમાણભૂત ગુણધર્મો માટે પસંદ કરવામાં આવ્યા હતા.હીટ ડિસીપેશન રેટ (કોષ્ટક 2 જુઓ) ઇનપુટ્સ તરીકે આપવામાં આવે છે, અને વિવિધ બેટરી ઝોનની સ્થિતિઓ 15, 17, 28, 32 પર સેટ કરવામાં આવી છે. મોટર કેસ પર હવાની ગતિ બંને મોટર મોડલ્સ માટે 10 m/s પર સેટ કરવામાં આવી હતી, અને વધુમાં, વોટર જેકેટ માટે ત્રણ અલગ-અલગ પાણીના દરો ધ્યાનમાં લેવામાં આવ્યા હતા (5 l/min, 10 l/min અને 15 l/min).વધુ ચોકસાઈ માટે, તમામ સમીકરણો માટેના અવશેષો 1 × 10–6 ની બરાબર સેટ કરવામાં આવ્યા હતા.નેવિઅર પ્રાઇમ (NS) સમીકરણોને ઉકેલવા માટે સિમ્પલ (પ્રેશર સમીકરણો માટે અર્ધ-ગર્ભિત પદ્ધતિ) અલ્ગોરિધમ પસંદ કરો.હાઇબ્રિડ પ્રારંભ પૂર્ણ થયા પછી, આકૃતિ 7 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સેટઅપ 500 પુનરાવર્તનો ચલાવશે.