空気の組み合わせによる誘導電動機の熱管理解析

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10125 (2023) この記事を引用

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電気機械の熱管理の正しい戦略は、運転コストと運転期間を考慮すると非常に重要です。 この論文では、より優れた耐久性を確保し、効率を高めるために、誘導電動機の熱管理要素戦略を開発します。 さらに、電気機械の冷却方法に関して文献の広範なレビューが行われました。 主な結果として,よく知られた熱分布問題を考慮した空冷大容量誘導電動機の熱解析を行った。 さらに、この研究では、時代のニーズとなる 2 つ以上の冷却戦略を使用した統合アプローチも示しています。 100 kW 空冷誘導モーターのモデルと、同じモーターの改良された熱管理モデルの両方が数値的に調査され、空冷システムと統合水冷システムの組み合わせを使用して、モーター効率の大幅な向上を達成しました。 空冷システムと水冷システムで構成される統合システムは、SolidWorks 2017 と ANSYS Fluent バージョン 2021 を使用して調査されています。 3 つの異なる水流量 5 LPM、10 LPM、15 LPM が分析され、従来の空冷誘導モーターと比較されます。利用可能な公開リソースを使用して検証されました。 実行された分析により、それぞれ 5 LPM、10 LPM、および 15 LPM の異なる流量で、それに応じて 2.94%、4.79%、および 7.69% の温度低下が得られたことが示されています。 したがって、結果は、一体型誘導電動機が空冷誘導電動機と比較して温度を下げるのに効率的であることを示しました。

電気モーターは、現代工学科学の重要な発明の 1 つです。 電気モーターは、家電製品から自動車や航空宇宙などの輸送分野に至るまで、さまざまな分野で使用されています。 誘導モータ（IM）は、高い始動トルク、優れた速度制御、適切な過負荷能力により、近年人気が高まっています（図1）。 誘導モーターは電球を光らせるだけでなく、歯ブラシからテスラ車に至るまで、家庭内のほとんどの機器に毎日電力を供給します。 機械力は、固定子巻線と回転子巻線の磁界の接触によって IM 内で生成されます。 さらに、希土類金属の供給には限りがあるため、IM は実行可能な選択肢です。 ただし、IM の主な欠点は、その寿命と効率が温度に非常に敏感であることです。 誘導モーターは世界の全電力の約 40% を消費しており、これらの機械のエネルギー管理が非常に重要であると考えさせられます。

誘導電動機の特長一覧です。

アレニウスの方程式によれば、動作温度が 10 °C 上昇するたびに、モーター全体の寿命が半減します。 したがって、信頼性を確保し、マシンのパフォーマンスを向上させるには、IM の熱管理に重点を置く必要があります。 熱解析はこれまで十分な注目を集めておらず、モーター開発者は設計の専門知識や巻線電流密度などの他のサイジング変数に基づいて周辺的にのみ取り組んできました。これらの方法は、最悪の加熱に対処するために大きな安全率を適用することになります。そのため、機械の大型化につながり、コストの増加につながります。

熱解析は集中回路解析と数値的アプローチの 2 種類に分類されます。 分析的アプローチの主な利点は、迅速かつ正確に計算できることです。 ただし、熱経路を模倣するのに十分正確な回路を定義するには、多くの作業を費やす必要があります。 一方、数値的アプローチは数値流体力学 (CFD) と構造熱解析 (STA) に大別され、どちらも有限要素解析 (FEA) を使用します。 数値解析には、デバイスの形状をシミュレーションできるという利点があります。 ただし、システムのセットアップやコンピューティング作業に関しては、難しい場合もあります。 以下で説明する科学論文は、さまざまな最新の誘導モーターの熱および電磁解析の厳選された例です。 これらの論文は、著者らに誘導機の熱現象とその冷却方法に関する研究に着手するきっかけを与えました。