Cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu động cơ vai trò của mô phỏng nhiệt VI

Cải thiện hiệu suất
động cơ và giảm
thiểu động cơ Vai
trò của mô phỏng
nhiệt
Dr David Staton
Motor Design Ltd



Todays Topics
Motor Design Ltd (MDL)
Cần các công cụ cải tiến để phân tích nhiệtmáy
điện
Các vấn đề quan trọng trong phân tích nhiệt
điệnĐộng cơ
Ví dụ về việc sử dụng phân tích nhiệt để tối ưu
hóathiết kế máy điện


Motor Design Ltd



Based in Ellesmere, Shropshire,
UK
 On England/Wales border
 South of Chester and Liverpool



MDL Team:

 Dave Staton
Consultancy)

(Software Development &

 Mircea Popescu (Consultancy)
 Douglas Hawkins (Software Development &
Consultancy)







Gyula Vainel (Motor Design Engineer)
Lyndon Evans (Software Development)
James Goss (EngD – Motor-LAB)
Lilo Bluhm (Office Manager)

Many University Links:

 Sponsor 3 Students in UK at present
 Many links with universities
throughout world
 Bristol, City, Edinburgh, Mondragon
Sheffield, Torino, …

Dave Staton

Apprentice/Electrician - Coal Mining Industry (1977 - 1984)

– BSc in Electrical Engineering at Trent Polytechnic (Nottingham)

PhD at University of Sheffield (1984 - 1988)

– CAD of Permanent Magnet DC Motors (with GEC small machines)
– 95% electromagnetic aspects and less than 5% on thermal aspects

Design Engineer - Thorn-EMI CRL (1988-1989)

– design of electric motors for Kenwood range of food processors

Research Fellow - SPEED Laboratories (1989 - 1995)
– help develop SPEED electric motor design software
– predominantly on electromagnetic aspects

Control Techniques (part of Emerson Electric) (1995 - 1998)
– design of servo motors

– More involved in thermal analysis as we were developing radically new motor
constructions (segmented laminations) that we had no previous experience.

Set up Motor Design Ltd in 1998 to develop heat transfer
software for electric machine simulation
– there was no commercial software for thermal analysis of motors
– such analysis was becoming more important in the design process

(volume/weight minimisation, energy efficiency, etc.)

Given many courses on motor design and thermal
analysis of electric machines worldwide


Motor Design Ltd (MDL)
 set

up in 1998 to develop software for design
of electric motors and provide motor design
consulting and training
SPEED, Motor-CAD, FLUX and
PORTUNUS software

 distribute

complete package for electric motor and drive
simulation
software package also used in our consulting
work which helps with development


Todays Topics
Motor Design Ltd (MDL)
Cần các công cụ cải tiến để phân tích
nhiệtmáy điện
Các vấn đề quan trọng trong phân tích nhiệt
điệnĐộng cơ
Ví dụ về việc sử dụng phân tích nhiệt để tối ưu

hóathiết kế máy điện


Thiết kế nhiệt và điện từ
Theo truyền thống trong động cơ điện, thiết kế
nhiệtthiết kế ít được chú ý hơn nhiều so vớithiết
kế điện từ
• các nhà thiết kế động cơ điện có xu hướng có một điệnnền tảng kỹ
thuật hơn là cơ khí?
• Các cơng cụ CAD cho thiết kế nhiệt có xu hướng rấtchuyên biệt và
yêu cầu kiến thức sâu rộng về truyền nhiệt
▪ MDL đã phát triển Motor-CAD + Portunus nhiệt / dòng chảythư
viện để giúp thực hiện phân tích nhiệt dễ dàng hơnmà khơng cần phải là
một chuyên gia nhiệt
▪ Phần mềm FEA và CFD đang bắt đầu có các tính năngbao
gồm để giúp thiết lập động cơ điện dễ dàng hơnmơ hình nhiệt

Cũng có tình trạng tương tự trong việc làm mát đồ điện tử

- Các nhà thiết kế điện tử có xu hướng có một điện tử
nền tảng với ít kiến thức về truyền nhiệt


Cần phân tích nhiệt củaxe
máy điện
Ave. expected life [hours]

1M
Class F

100
K

Class
10K
A
Class B

1K

100

Class H

60

180
120
240
Total winding temp. [deg C]

Nhiệt độ của động cơ là giới hạn cuối cùng về hiệu suất vàcần
được coi trọng như nhau đối với thiết kế điện từ
- Tuổi thọ của động cơ phụ thuộc vào nhiệt độ cuộn dây


Cần phân tích nhiệt củaxe
máy điện

Có một u cầu đối với động cơ nhỏ hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn

đểmột thiết kế tối ưu hóa là bắt buộc
- Tổn thất phụ thuộc vào nhiệt độ và nhiệt độ trên tổn thấtPhương pháp
định cỡ đơn giản dựa trên các đầu vào như giới hạn dịng điện quanh
comật độ khơng tốt cho việc tối ưu hóa (xem vài trang trình bày tiếp
theo)
- phụ thuộc vào trải nghiệm của người dùng đối với quá trình sản xuất
vàvật liệu được sử dụng và do đó có xu hướng trở nên rất khơng
chính xác khi thửmột cái gì đó mới trong thiết kế
- Khơng cho nhà thiết kế biết nơi cần tập trung nỗ lực thiết kếđể giảm
nhiệt độ
Cần kết hợp các phương pháp phân tích và phương pháp số
- Nhiều ứng dụng khơng có hoạt động ở trạng thái ổn định để có đượcthời gian tính
tốn q độ hợp lý các kỹ thuật mạch gộp làcần thiết
- CFD / FEA rất hữu ích để giúp thiết lập các mơ hình chính xác
▪ Phần mơ hình tốt nhất. ví dụ truyền nhiệt qua cuộn dây, mơ hình quạt, v.v.


Phương pháp định cỡ động cơ truyền thống
định cỡ dựa trên một tham số
-

điện trở nhiệt

khả năng chịu nhiệt
hệ số truyền nhiệt của nhà ở
mật độ dòng điện quanh co
tải điện cụ thể

dữ liệu nhiệt từ

– - quy tắc ngón tay cái đơn giản
 5 A/mm2, 12 W/m2/C etc.
– thử nghiệm trên các động cơ hiện có
– - dữ liệu danh mục đối thủ cạnh tranh

có thể khơng chính xác

RTH [oC/W]
P [W]

Twinding

Hệ số truyền nhiệt
h [W/(m2.oC)]

- một tham số không thể mô tả
bản chất phức tạp của làm mát động cơ

kém hiểu biết về nơi đểtập trung
nỗ lực thiết kế
Các giải pháp thay thế là phân
tích gộpphân tích nhiệt mạch
vàphân tích nhiệt số

Tambient


Quy tắc ngón tay cái điển hình

Đối lưu khơng khí tự nhiên

– h = 5-10 W/(m2.C)

Đối lưu cưỡng bức không khí

– h =10-300 W/(m2.C)

Đối lưu cưỡng bức chất lỏng

– h = 50-20000 W/(m2.C)

• Nhiều giá trị có thể có khiến trải nghiệm trong quá khứ trở nên rất quan
trọng
• Nếu khơng, thiết kế sẽ khơng có kích thước chính xác
• Giá trị có thể khơng hợp lệ nếu thay đổi quy trình sản xuất, vật liệu, v.v.•
• Các bảng lấy từ: “SPEED Electric Motors”, TJE Miller


Phân tích nhiệt số

Hai loại cơ bản có sẵn để chia nhỏ vấn đề thành phần tử nhỏ hoặckhối
lượng và nhiệt độ / lưu lượng được giải quyết:
– Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)

▪ Hữu ích để tính tốn chính xác truyền nhiệt dẫn

– Động lực học chất lỏng tính tốn (CFD)
 Mơ phỏng dịng chất lỏng liên quan đến giải pháp của một tập hợp
cáctuyến tính, bậc hai, phương trình đạo hàm riêng - bảo
tồnphương trình (vận tốc, áp suất và nhiệt độ)

 Nhiều trang chiếu CFD Thông thạo là từVí
dụ từ Đại học Nottingham

FEA

CFD


Bộ giải FEA nhiệt tích hợp Motor-CAD
• Chỉ cần vài giây để tạo lưới và tính tốn
• Giúp cải thiện độ chính xác thơng qua hiệu chuẩn mơ hình
phân tích


Động lực học chất lỏng tính tốn (CFD)
Độ chính xác mong đợi
không phải làtuyệt vời như
vớiFEA điện từ
- Do sự phức tạp của hình học
và dịng chất lỏng hỗn loạn

Khơng thể mơ hình hóa
thực tếhình học hồn hảo
- Nhưng dự đốn xu hướng và
hình dung về dịng chảy rất hữu ích

Có thể rất tốn thời gianđể
xây dựng một mơ hình
vàsau đó tính tốn
- Có thể vài tuần / tháng

Sử dụng tốt nhất các
kết quả đểhiệu
chuẩn phân tíchcơng
thức


Phần mềm Motor-CAD

• Gói phân tích mạng phân tíchdành
riêng cho phân tích nhiệt củađộng
cơ điện và máy phát điện

– - hình học đầu vào bằng trình chỉnh sửa
chuyên dụng
– chọn loại làm mát, vật liệu,vv và tính
tốn trạng thái ổn định hoặcnhiệt độ
thoáng qua
– tất cả dữ liệu truyền nhiệt khóđược tính
tốn tự động
• dễ sử dụng bằng cách khơng
nhiệtchuyển chuyên gia
– cung cấp một chi tiếthiểu biết về làm
mát và tạo điều kiện tối ưu hóa
• • phân tích điều gì-nếu & độ nhạy


Các loại động cơ Motor-CAD


➢ Nam châm vĩnh viễn không chổi than
 ➢ Rơto bên trong và bên ngồi



➢ Cảm ứng / Không đồng bộ
 ➢ 1 và 3 pha



➢ Chuyển đổi miễn cưỡng
Nam châm vĩnh cửu DC
➢ Đồng bộ trường vết thương
Claw pole






Các loại làm mát

Motor-CAD bao gồm các mơ hình đã được
chứng minh cho mộtnhiều loại làm mát

- Đối lưu tự nhiên (TENV)
 nhiều kiểu thiết kế nhà ở
- Đối lưu cưỡng bức - (TEFC)
 nhiều kiểu thiết kế kênh vây
- Thơng qua hệ thống thơng gió

 ống dẫn làm mát rôto và stato
- Mở tấm chắn cuối làm mát
- Áo khoác nước
nhiều kiểu thiết kế (ống dẫn hướng trục và chu vi)
▪
áo nước stato và rơto
- Làm mát chìm
- Làm mát Rotor ướt & Stator ướt
- Phun làm mát
- Làm mát dây dẫn trực tiếp
Áo khốc nước có rãnh
- Dẫn điện
 Dẫn điện bên trong và ảnh hưởng của việc gắn kết
- Bức xạ
 Nội bộ và bên ngoài


Các loại vỏ

Nhiều thiết kế nhà ở có thể được mơ hình hóa và tối ưu hóa
- nhà thiết kế đã chọn một kiểu nhà ở thích hợp để làm mát
loại được sử dụng và sau đó tối ưu hóa kích thước, ví dụ như
vây trụckích thước và khoảng cách cho máy TEFC


Phân tích trạng thái ổn định & thống
qua

• Một số ứng dụng ở trạng thái ổn định và một số hoạt
động với tải chu kỳ nhiệm vụ thoáng qua phức tạp

Mơ hình mạch nhiệt
tương tự như mạng điện nên dễ
hiểu bởi các kỹ sư điện
– điện trở nhiệt đúng hơn hơn
điện trở
– nguồn điện hơn là nguồn
dòng
– điện dung nhiệt đúng
hơnhơn tụ điện(không hiển
thị ở đây
– nhiệt độ nút thay vìhơn điện
áp
– dịng điện chạy quakháng
hơn làhiện hành
– Đặt các nút ở vị trí quan
trọngvị trí trong mặt cắt
ngang của động cơ


Mơ hình mạch nhiệt

điện trở nhiệt đặt trong mạch để mơ hình hóa
đường dẫn truyền nhiệt trong máy
– dẫn điện (R = L / kA)
 ▪ diện tích đường đi (A) và chiều dài (L) từ hình học
 ▪ độ dẫn nhiệt (k) của vật liệu

– đối lưu (R = 1/hA)

 hệ số truyền nhiệt (h - W / m 2 .C) theo kinh nghiệmcơng thức
phân tích khơng thứ ngun (tương quan)
– nhiều mối tương quan đã được chứng minh rõ ràng cho tất cả
các loại hình học trongtài liệu kỹ thuật truyền nhiệt

– bức xạ (R = 1/hA)
 h = σ ε1 F1-2 (T14 – T24)/ (T1 – T2)
 độ phát xạ (ε1) &

hệ số hiển thị(F1-2)

từ bề mặt hồn thiện & hình học

cơng suất đầu vào tại các nút nơi xảy ra tổn
thấtđiện dung nhiệt để phân tích thống qua
- Điện dung = Trọng lượng × Nhiệt dung riêng


Định luật Ohms truyền nhiệt:
Trong một mạng nhiệt, dòng nhiệt được cho bởi:
P =

∆T
R

electrical circuit I =

P = công suất [Watts]
∆T = chênh lệch nhiệt độ [C]
R = điện trở nhiệt [C / W

P

Nhiệt độ chất lỏng tăng:
∆T =

Điện tiêu hao
Tốc độ dòng chảy x Mật độ x C

∆T = chênh lệch nhiệt độ [C]
C p = Nhiệt dung riêng [J / kg C]

V
R

∆T
R


Todays Topics
Motor Design Ltd (MDL)
Need for improved tools for thermal analysis of
electric machines
Các vấn đề quan trọng trong phân tích nhiệt
điệnĐộng cơ
Ví dụ về việc sử dụng phân tích nhiệt để tối ưu hóa
thiết kế máy điện


Các vấn đề quan trọng trong phân

tích nhiệtđộng cơ điện
Dẫn điện, đối lưu và bức xạ
Tổn hao
Winding Heat Transfer
nhiệt trở bề mặt
Độ chính xác và hiệu chuẩn


Dẫn truyền nhiệt

Chế độ truyền nhiệt ở thể rắn do dao động của phân tử
Vật dẫn điện tốt cũng là vật dẫn nhiệt tốt
– - Muốn chất cách điện tốt là chất dẫn nhiệt tốt.

 ▪ nghiên cứu tài liệu để cố gắng đạt được điều này

– - Kim loại có độ dẫn nhiệt lớn do được sắp xếp trật tự Cấu trúc tinh
thể
 ▪ k thường nằm trong khoảng 15 - 400 W / m / C

– Chất cách điện rắn khơng có cấu trúc tinh thể được sắp xếp trật tự và
thường xốp


k thường nằm trong khoảng 0,1 - 1W / m / C (tốt hơn khơng khí với k ≈
0.026W/m/C)

Điện trở nhiệt dẫn được tính bằng cách sử dụng R = L / kA
– Chiều dài đường dẫn (L) và diện tích (A) từ hình học, ví dụ chiều rộng và diện tích răng
– Độ dẫn nhiệt (k) của vật liệu, ví dụ như của thép điện đểrăng

Chỉ có độ phức tạp là trong việc tính tốn L, A và k hiệu quả
chocác thành phần hỗn hợp như cuộn dây, ổ trục, v.v

- Động cơ-CAD được hưởng lợi từ nghiên cứu sử dụng phân tích và thử nghiệm số
để phát triển các mơ hình đáng tin cậy cho các thành phần phức tạp như vậy