Đánh giá và áp dụng mô hình nhiệt để cải tiến động cơ công suất cao

Đánh giá và áp dụng mơ hình nhiệt để cải tiến động cơ công suất cao
Ethan L. Filip

Thesis submitted to the faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University
in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Master of Science
In
Mechanical Engineering

Douglas J. Nelson – Chair
Michael W. Ellis
John B. Ferris

November 12, 2010
Blacksburg, VA
Keywords: Nodal Thermal Model, Electric Vehicle Motor, Thermal Conductivity

Copyright 2010, Ethan L. Filip


Evaluation and Application of Thermal Modeling for High Power Motor Improvements
Ethan L. Filip
ABSTRACT
Động cơ điện cho các ứng dụng xe cộ được yêu cầu phải có hiệu suất cao và nhỏkích
thước và trọng lượng. Mơ hình hóa chính xác các đặc tính nhiệt của động cơ điện làrất
quan trọng để định kích thước động cơ đúng cách. Cải thiện việc làm mát các cuộn dây
động cơ cho phépcho một động cơ hiệu quả hơn và tiết kiệm điện hơn. Có nhiều phương
pháp đểdự đoán nhiệt độ động cơ, tuy nhiên, bài báo này thảo luận về những ưu điểm và
độ chính xácbằng cách sử dụng mơ hình nhiệt gộp nút. Cả thương mại có sẵn và độc
quyềnphần mềm mơ hình hóa nhiệt động cơ được đánh giá và so sánh. Cải tiến nhiệtdựa
trên mơ hình trong cả giao diện tiếp xúc và chất đóng gói quanh co được đánh giá,cho

thấy những cải tiến của động cơ trong khả năng xử lý tổn thất nhiệt khoảng bốn mươilớn
hơn phần trăm so với mức cơ bản, dẫn đến công suất cao hơn hoặc động cơ thấp hơnnhiệt
độ cho cùng một kích thước gói


Table of Contents:
Table of Contents:.............................................................................................................. iii
List of Multimedia Objects: ............................................................................................... iv
Figures............................................................................................................................ iv
Tables.............................................................................................................................. v
Equations......................................................................................................................... v
1.0 Introduction................................................................................................................... 1
1.1 Problem ..................................................................................................................... 1
1.2 Objectives ................................................................................................................. 1
1.3 Discussion ................................................................................................................. 2
2.0 Literature Review.......................................................................................................... 6
2.1 Thermal Modeling approach..................................................................................... 6
2.2 Critical Parameters.................................................................................................... 7
2.3 Thermal Networks .................................................................................................... 9
3.0 Modeling ..................................................................................................................... 11
3.1 Lumped Parameter Modeling Benefits and Drawbacks for High Powered Motors 11
3.2 Thermsim ................................................................................................................ 12
3.3 Motor-CAD™......................................................................................................... 20
3.4 Sensitivity Analysis ................................................................................................ 35
4.0 Motor Thermal Testing ............................................................................................... 41
4.1 Test Setup................................................................................................................ 41
4.2 Thermocouple Placement........................................................................................ 42
4.3 Baseline Motor Testing Results – Motor A ............................................................ 47
4.4 Motor Improvements and Nomenclature ................................................................ 47
4.5 Encapsulant Improvements Formulation and Testing ............................................ 48

4.6 Encapsulation Issues ............................................................................................... 49
4.7 Motor B Results ...................................................................................................... 52
4.7 Motor C Results ...................................................................................................... 53
5.0 Summary and Conclusion ........................................................................................... 55
5.1 Motor A Results Summary ..................................................................................... 55
5.2 Motor B Results Summary...................................................................................... 56
5.3 Motor C Results Summary...................................................................................... 57
5.4 Improvement Discussion ........................................................................................ 57
5.5 Conclusions............................................................................................................. 58
References......................................................................................................................... 60
Appendix A - Thermsim Excel Input................................................................................ 62

iii


List of Multimedia Objects:
Figures
Figure 1 – Motor Axial Cross Section ................................................................................ 3
Figure 2 – Motor Radial Cross Section............................................................................... 4
Figure 3 - Thermal Network Model.................................................................................. 14
Figure 4 - Simulink Thermal Model Example.................................................................. 15
Figure 5 - Thermal Resistance Calculation Example ....................................................... 18
Figure 6 - Component Input Data with Correlation Factors ............................................ 18
Figure 7 - Simulink Output Example................................................................................ 19
Figure 8 - Motor-CAD™ Input Sheet............................................................................... 21
Figure 9 - Motor-CAD™ Input Sheet - Axial .................................................................. 22
Figure 10 - Motor-CAD™ Input Sheet - Winding ........................................................... 23
Figure 11 - Motor-CAD™ Input Sheet - Cooling ............................................................ 24
Figure 12 - Motor-CAD™ Nodal Network ...................................................................... 25
Figure 13 - Motor-CAD™ Circuit Editor......................................................................... 26

Figure 14 - Motor-CAD™ Radial Output ........................................................................ 27
Figure 15 - Motor-CAD™ Axial Output .......................................................................... 28
Figure 16 - Low Winding to End Winding Resistance..................................................... 31
Figure 17 - Winding to End Winding Resistance Multiplier............................................ 32
Figure 18 - Power Addition at End Windings .................................................................. 33
Figure 19 - End Winding Potting Goodness Sensitivity................................................... 37
Figure 20 - Impregnation Goodness Sensitivity ............................................................... 38
Figure 21 - Encapsulation Thermal Conductivity Sensitivity........................................... 39
Figure 22 - Stator Lamination to Housing Gap Sensitivity .............................................. 40
Figure 23 - Động cơ được lắp vào đế thử nghiệm...................................................................... 41
Figure 24 -Vị trí đặt cặp nhiệt điện bên trong............................................................... 43
Figure 25 - Vị trí đặt cặp nhiệt điện bên ngoà............................................................... 43
Figure 26 - Sự thay đổi nhiệt độ khe........................................................................ 45
Figure 27 - Vị trí cuối cuộn cặp nhiệt điện....................................................... 46
Figure 28 - Biến thiên nhiệt độ cuối (250 vòng / phút)................................................ 46
Figure 29 - Thiết lập kiểm tra so sánh nhanh.................................................................. 49
Figure 30 - Mặt cắt khe - Gia công ..................................................................... 50
Figure 31 - Ecapsulation Voids, “Motor B” Inner Diameter ............................................ 51
Figure 32 - Encapsulation Voids, Close Up – “Motor B” ................................................ 51
Figure 33 -Đổ đầy đóng gói “Động cơ C”...................................................... 52

iv


Tables
Table 1- Motor A Tested Results...................................................................................... 47
Table 2 - Motor B Tested Results ..................................................................................... 52
Table 3 - Motor C Tested Results ..................................................................................... 54
Table 4 - Motor A Results Summary................................................................................ 55
Table 5 - Motor B Results Summary ................................................................................ 56

Table 6 - Motor C Results Summary ................................................................................ 57

Equations
[Eq. 1] ............................................................................................................................... 30

v


1.0 Giới thiệu
1.1 Vấn đề
Động cơ xe điện được yêu cầu phải nhẹ và rất tiết kiệm điện trongđể được đóng
gói trong khơng gian nhất định và để cho phép một chiếc xe đáp ứng hiệu suấtthông số
kỹ thuật. Động cơ xe điện thường có kích thước dựa trên nhiệthạn chế, vì việc giảm
kích thước gói sẽ hạn chế diện tích động cơ có sẵn để làm mát.Việc tải nhiệt là do tổn
thất I²R trong đồng động cơ, cũng như tổn thất dịng điện xốytrong thép và nam châm
của động cơ. Bài báo này tập trung vào các động cơ trong phạm vi200 - 300 kW cho
các ứng dụng trên xe. Những động cơ này được làm mát bằng chất lỏng để đáp ứngmục
tiêu hiệu suất trong khi hoạt động trong mơi trường có mái che với nhiệt độvượt q
100 ° C. Làm mát bằng chất lỏng động cơ nằm trên mạch nhiệt độ thấp hơnđộng cơ,
với nhiệt độ nước làm mát trong khoảng 75-85 ° C. Bài báo này tập trung vàomơ hình
hóa và cải tiến hiệu suất nhiệt của động cơ xe cơng suất cao, vàdo đó những cải tiến đối
với hiệu suất chung của động cơ với những thách thứcmơi trường mui xe

1.2 Mục tiêu
Mục đích của bài báo này là đánh giá và kiểm tra các cải tiến trong việc làm mát
hiệu suất của động cơ xe công suất cao. Cải thiện làm mát đạt được thơng quađánh giá,
điều chỉnh và xác minh các mơ hình nhiệt động cơ, sau đó sử dụng các mơ hình đó
đểxác định, xây dựng và thử nghiệm các cải tiến nhiệt đáng kể

1

Các phương pháp mơ hình hóa nhiệt cho động cơ làm mát bằng chất lỏng được
đánh giá, vớiso sánh giữa hai mơ hình nhiệt riêng biệt được điều chỉnh với động cơ đã
thử nghiệmhiệu suất nhiệt. Cần có sự tương quan và điều chỉnh các mơ hình nhiệt hiện có
dođến con đường nhiệt độc đáo của động cơ làm mát bằng chất lỏng công suất cao so với
động cơ thông thườngđộng cơ làm mát bằng khơng khí mà các mơ hình này ban đầu dựa
trên và tương quan với.Hiệu suất nhiệt được đo bằng mức độ tổn thất mà động cơ có thể
chịu đượckhơng vượt q nhiệt độ tối đa của cuộn dây là 200 ° C. Độ lớn của động cơ
cao hơntổn thất nhiệt khi chịu đựng thể hiện sự cải thiện nhiệt và cuối cùng dẫn đếnđầu ra
công suất động cơ cao hơn mà khơng cần tăng kích thước hoặc trọng lượng gói động cơ
Các mơ hình nhiệt đã được điều chỉnh và xác minh được sử dụng để có được một
đường dẫn tập trung chocải thiện hiệu suất nhiệt. Động cơ cải tiến này sau đó được chế
tạo và thử nghiệm nhiệtđể so sánh hiệu suất nhiệt dự đốn của mơ hình với các giá trị thử
nghiệm thực tế, xác minhNhững cải tiến

1.3 Thảo luận
Khả năng mô hình hóa chính xác hiệu suất nhiệt của chất lỏng công suất cao-động
cơ được làm mát là rất quan trọng trong cả giai đoạn báo giá và thiết kế của q trình
phát triển động cơ.Ước tính hiệu suất nhiệt là cần thiết để đảm bảo rằng động cơ sẽ phù
hợptrong khơng gian được giao và đáp ứng các tiêu chí về hiệu suất và hiệu quả cần
thiết.Động cơ có kích thước và dải công suất này rất đắt để làm ngun mẫu, và nó
khơngthực tế để chế tạo động cơ cho mỗi thiết kế mới nhằm xác minh các giả định về
nhiệt.Mặt cắt của mơ hình động cơ làm mát bằng chất lỏng được thể hiện trong Hình 1 và
Hình 2

2


Housing / Cooling

Jacket (Aluminum) with
75°C – 85°C Coolant

>> 100 ° C Mơi trường
xung quanhNhiệt độ

End Winding

Encapsulation
Bearings

Shaft

Magnets

Rotor Core

Stator Core
Armature to
Housing Interface

Hình 1 - Mặt cắt ngang trục động cơ

3


Stator Core

Housing Cooling
Channel

Winding

Shaft
Magnets

Phần ứng
đến nhà ở
Giao diện

Rotor Core

Hình 2 - Mặt cắt hướng tâm động cơ

Một thông số cải thiện nhiệt có tác động lớn đến động cơhiệu suất là độ dẫn
nhiệt của chất bao bọc dây quấn. Dây qubọc là một chất cách điện được sử dụng để giữ
lại các cuộn dây đồng trong động cơlõi, và cũng cải thiện đường dẫn nhiệt giữa đồng và
chất lỏng được làm mátlõi động cơ. Thay đổi đóng gói quanh co này là trọng tâm của
bài báo này, vì 39%cải thiện hiệu suất động cơ đã đạt được thông qua các cải tiến trong
động cơđóng gói quanh co, như được chỉ ra trong Phần 5.0, Tóm tắt kết quả. Khả
năngxác định số lượng cải tiến nhiệt trong thiết kế động cơ là quan trọng, vì cải tiếnchất
đóng gói làm tăng thêm chi phí cho động cơ cả về chi phí vật liệu và thời gian sản xuất.
Với
4


một mơ hình nhiệt chính xác, những chi phí này có thể được biện minh bằng cách
minh họa động cơ tăngcơng suất hoặc giảm đóng gói động cơ có thể đạt được.
Các lĩnh vực cải thiện nhiệt khác đã được xem xét nhưng không được bảo
hiểmchuyên sâu trong nghiên cứu này bao gồm các khoảng trống và khoảng trống bên

trong động cơ. Khoảng cách giữaphần ứng và vỏ được chứng minh là có ảnh hưởng rất
lớn đến cơng suất cao, làm mát bằng nướcđộng cơ, tuy nhiên điều này khó thay đổi và đo
lường trong động cơ. Khớp này làthường được tối ưu hóa cho cấu trúc trong khi giảm
thiểu khả năng chịu nhiệt. Voids tronghệ thống lót khe điện áp cao và bọt khí bên trong
chất đóng gói cũng có mặttrong các động cơ cơng suất cao, tuy nhiên điều này là một
thách thức để định lượng mà không hồn chỉnhphá hủy động cơ, và nó khơng hiển thị
trong các mơ hình nhiệt được đánh giá.Những cải tiến trong hệ thống đóng gói bao gồm
những thay đổi về quy trình để giảm thiểuhình thành khoảng trống

5


2.0 Literature Review
2.1 Phương pháp mơ hình hóa nhiệt
Sự tiến hóa và các phương pháp tiếp cận hiện đại để phân tích nhiệt của máy điện [1]
Bài báo này cung cấp một số đầu vào về các công cụ và thực tiễn tốt nhất hiện có
chomơ hình nhiệt động cơ. Bài báo có thể có một số thành kiến đối với các mơ hình nút,
vì một trong nhữngcác tác giả đã thành lập công ty sản xuất Motor-CAD ™ [2], mộtmơ
hình nhiệt nút có sẵn để phân tích động cơ. Motor-CAD ™ cũng được sử dụng trongluận
điểm là một trong hai mơ hình nhiệt nút đã phân tích. Phân tích phần tử hữu hạn
(FEA),Động lực học chất lỏng tính tốn (CFD) và Mơ hình hóa mạch - mạch (nút) làthảo
luận. Tầm quan trọng của mơ hình nhiệt và những hạn chế cũng được thảo luận
Mơ hình FEA được thảo luận là hữu ích cho các động cơ khơng thuộc loại tiêu
chuẩncó dạng hình học khơng đều. Phương pháp phân tích này được mô tả là rất tốn thời
gianđể thiết lập, cũng như tốn thời gian để chạy. FEA có lợi thế hơn so vớimơ hình tham
số với khả năng xác định vị trí các điểm nóng động cơ có thể khơng được đặt tạivị trí
chính xác của nút tham số gộp, tuy nhiên, một mạng được xác định rõ thì nhiềuthực tế
hơn để chạy
Lợi thế của phân tích CFD được minh họa trong khả năng cải thiện các phần của
mộtđộng cơ, chẳng hạn như luồng khơng khí hoặc luồng nước làm mát, tuy nhiên, chức

năng chính hiện tại của CFD làkhông phải là một công cụ để đánh giá các đặc tính nhiệt
đầy đủ của động cơ. Các tác giả thảo luận rằng CFDphân tích kết hợp với mạng tham số
gộp là cách tốt nhất để sử dụng CFD
Mơ hình tham số gộp được thảo luận như một mạng phân tích nhanh dựa trênhình
học đơn giản hóa để phát triển một mạch điện trở nhiệt. Tham số gộpmạng nhiệt thường
6 nhiệt
yêu cầu hình dạng động cơ tiêu chuẩn và mạch


phải bao gồm “các con đường truyền nhiệt chính”. Mạng nhiệt tham số gộpmơ hình được
chỉ ra là bị giới hạn bởi kiến thức về các thông số nhiệt và truyền nhiệthệ số, tuy nhiên,
giới hạn này được nêu chính xác để cũng áp dụng cho sốcác cách tiếp cận mơ hình hóa
chẳng hạn như FEA
Mặc dù các tham số và giao diện quan trọng chỉ được thảo luận ngắn gọn
trongkết luận của bài báo này, ba trong số các tác giả đã đóng góp vào Xác định mức độ
quan trọngCác thơng số trong Mơ hình nhiệt máy điện [3] , một bài đánh giá kỹ lưỡng
hơn, và [4] arất giống giấy

2.2 Các thông số quan trọng
Xác định các thông số tới hạn trong mơ hình nhiệt máy điện. [3]
Chủ đề chính của bài báo này là thảo luận về các thơng số quan trọng phảiđược
xác định để có một mơ hình nhiệt động cơ chính xác, bất kể mơ hìnhkỹ thuật. Bài báo tập
trung vào bảy thơng số:
1. Khả năng chịu nhiệt tương đương giữa khung và môi trường xung quanh và tốc
độ quạt bằng không
2. Độ dẫn nhiệt tương đương giữa cuộn và cán
3. Hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa cuộn dây cuối và cuối nắp
4. Hệ số truyền đầu bức xạ giữa khung bên ngồi và mơi trường xung quanh
5. Khoảng cách giao diện giữa cán và khung ngồi
6. Tốc độ làm mát khơng khí

7. Mang điện trở nhiệt tương đương
Mặc dù các thơng số này giúp minh họa những khó khăn trong việc thiết lập nhiệt
chính xácmơ hình, chúng hầu hết liên quan đến các mơ hình làm mát bằng khơng khí.
Đối với làm mát bằng nước, đóng gói
7


động cơ, chẳng hạn như động cơ được sử dụng trong các ứng dụng xe cơng suất cao, chỉ
có hai trong số các động cơ quan trọng nàycác thông số có liên quan - Độ dẫn nhiệt
tương đương giữa cuộn dây vàCán màng và Giao diện Khoảng cách giữa Cán màng và
Khung ngoài
Hệ số dẫn nhiệt giữa các cuộn dây và cán được thể hiện làgần đúng bằng cách sử
dụng ba phương pháp khác nhau. Một trong những mơ hình dựa trên đường cong vừa
vặntương quan với các phép đo hiện có, một mơ hình khác là FEA 2D của các cuộn
dâyđược mô phỏng ở khoảng cách đều nhau và mơ hình thứ ba là mơ hình cuộn dây phân
lớp vớicác điện trở. Phần mềm thương mại sử dụng mô hình quanh co để dễ dàng đầu
vào vàsự tùy biến. Mơ hình sử dụng các đặc tính vật liệu, kết hợp với một chất ngâm
tẩmHệ số "tốt" để tính đến khơng khí hoặc khoảng trống bên trong ngâm tẩm của cuộn
dây động cơ
Khoảng cách giữa cán đến khung giao diện được thảo luận khi cần thiết để chính
xácxác định nhiệt trở đối với khung. Ví dụ về giao diện đo nhiệtKhoảng trống được
chứng minh là có thể thay đổi trong một loạt các kích thước động cơ, khác nhau, từ 0,01
mmđến 0,08 mm. Phạm vi này được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể đến việc làm
mát động cơ. Cáccác tác giả cũng lưu ý rằng các thiết kế động cơ giống hệt nhau đã được
đo lường để có sự khác biệt vềcác khoảng trống về giao diện. Giá trị này sau đó được
chứng minh là đặc biệt quan trọng trong động cơ làm mát bằng chất lỏng,nơi mà đường
dẫn nhiệt qua mặt phân cách này với chất lỏng làm mát
Bài báo “Giải quyết các khía cạnh khó khăn hơn của nhiệt động cơ điệnPhân tích
”[4] là của các tác giả giống như [3], và có vẻ ngồi và nhiều thông số giống nhau.Một
bổ sung trong [4] là bao gồm một cuộc thảo luận về sự truyền nhiệt qua khơng khí động

cơ-lỗ hổng. Thảo luận về khe hở khơng khí bao gồm sự gia tăng truyền nhiệt khi rơto
8
hoặc statođường kính khơng mịn, tuy nhiên tính năng này khơng quan trọng đối với xe
công suất lớnđộng cơ


2.3 Mạng nhiệt
Mơ hình nhiệt tham số giấy cho máy điện của TEFC(Hoàn toàn kèm theo, làm
mát bằng quạt) [5] của Mellor là cơ sở cho nhiều bổ sunggiấy tờ về mơ hình nhiệt tham
số gộp thơng thường, bao gồm cả các giấy tờ cụ thểdùng cho động cơ nam châm vĩnh cửu
và động cơ làm mát bằng nước [6]. Một ví dụ bổ sung làmơ hình nam châm vĩnh cửu bên
trong của Ayman [7]. Mơ hình thơng thường này là cơ sở củacả phần mềm được phát
triển nội bộ và phần mềm thương mại được sử dụng trong bài báo này
Các cải tiến đối với mơ hình nhiệt tham số gộp thông thường đã đượcđề xuất
trong nhiều bài báo của Gerling. Giấy Novel nhiệt thơng số gộp chungmơ hình cho hệ
thống điện [8] thảo luận về một mơ hình trong đó phần tử rắn được coi làthay vì chỉ một
nút, cho phép phân phối tổn thất và nhiệt độ trongthành phần. Cải tiến mơ hình cũng bao
gồm các nút di chuyển để đạt đến đỉnhđiểm nhiệt độ cho vị trí nút. Phương pháp này giải
quyết cácmối quan tâm của mơ hình nhiệt của các nút đại diện cho nhiệt độ trung bình,
trong khi đối với một số động cơvật liệu, điều quan trọng là chỉ biết nhiệt độ cao nhất.
Bài báo Mơ hình nhiệt thơng số được cải tiến cho điệnMáy móc [9] cung cấp một
bản tóm tắt tốt về tầm quan trọng trong việc thu được nhiệt chính xácmơ hình, cho phép
xác định đúng kích thước động cơ và đảm bảo vật liệu sẽ chịu đượcMôi trường. Bài báo
cũng thảo luận về độ nhạy phát sinh từ khoảng cách từ stato đến vỏ,và thuộc tính vật liệu
lót khe, nhưng nó khơng cung cấp giải pháp mơ hình hóa tốt cho cảtrong số những vấn đề
đó ngồi việc đề xuất thử nghiệm. Bài báo cũng thảo luận về bồi thườngcác phần tử,
tương tự như [8] và những cải tiến được thực hiện đối với mơ hình nhiệt. Đa sốsự khác
biệt của mơ hình là ở cuộn dây cuối, đồng và răng, nơi nhiệttổn thất sẽ được phân phối
xuyên suốt. Mơ hình được xác minh dựa trên nhiệt FEA

9


mơ hình thay vì thử nghiệm bộ phận thực tế. Do đó, như một khái niệm cho một mơ
hình,các cải tiến có giá trị, tuy nhiên, mơ hình nên được thử nghiệm trên các bộ phận thực
đểxác nhận
Sự phức tạp trong mơ hình được đề xuất bởi Gerling [8,9], trong khi chúng dường
nhưđược cải tiến, dường như chỉ mang lại lợi ích hạn chế cho việc phân phối các nút bổ
sungtrong răng, đồng và cuối cuộn dây. Mơ hình thương mại Motor-CAD ™phần mềm
được sử dụng trong bài báo này đã bao gồm một loạt các nút phân tán cho đồng.Cơng
việc trong tương lai có thể bao gồm việc thêm các nút vào răng và cuối cuộn dây để giải
quyết vấn đề nàysự khác biệt về tổn thất phân tán.

10


3.0 Mơ hình hóa
3.1 Mơ hình hóa tham số gộp Lợi ích và Hạn chế đối với Cơng suất
caoĐộng cơ
Một mơ hình tham số gộp là một đại diện của một hệ thống vật lý rời rạcđiểm
thay vì phân phối toàn bộ hệ thống, chẳng hạn như mạch điệnđược biểu diễn bằng các
thành phần rời rạc như điện trở. Mô hình thơng số gộp mới làđược sử dụng cho cả phần
mềm Thermsim được phát triển nội bộ và phần mềm thương mạicó sẵn phần mềm MotorCAD ™ [2] do tốc độ mơ phỏng và mơ hình hóa dễ dàng.Điều này cho phép nhiều lần lặp
lại, với thời gian tính tốn được hồn thành trong vịng một vàigiây đối với phân tích
trạng thái ổn định và thường dưới một phút đối với phân tích tạm thời,tùy thuộc vào số
lượng điểm điều kiện thoáng qua rời rạc được đánh giá. Cả hai phần mềmcác gói cho
phép đầu vào hình học cung cấp một đại diện gần gũi với động cơđược đánh giá, thường
cho phép đại diện chính xác. Tốc độ này cho phép từ mộtmơ hình đơn giản mang lại lợi
thế lớn so với mơ hình nhiệt phần tử hữu hạn, đặc biệtvì độ lệch từ giá trị thực tế đến giá
trị dự đốn hiếm khi phụ thuộc vào hình họcsự khác biệt. Sai lệch so với các giá trị dự

đoán chủ yếu là khơng xác định hoặc khóxác định giao diện và thuộc tính vật liệu, điều
này sẽ ảnh hưởng đến giải pháp phần tử hữu hạntheo một cách tương tự.
Mô hình hóa tham số gộp sẽ khơng phải là giải pháp mơ hình hóa tốt nhất nếu
động cơhình học khác rất nhiều so với mơ hình hiện có. Tiết kiệm cả thời gian vàtiền
được thực hiện bằng cách chạy một giải pháp phần tử hữu hạn so với thiết lập một nút
mớimơ hình mạng. Điều này đặc biệt đúng nếu khơng có kế hoạch sử dụng lại nút mớimơ
hình mạng cho các phân tích trong tương lai. Động cơ đang được phân tích cho ứng dụng
xe này

11


phù hợp với hình học mơ hình động cơ khơng chổi than nam châm vĩnh cửu hiện có và
do đó nó rấthiệu quả để sử dụng phương pháp tham số gộp
Một vấn đề với các mơ hình hiện có là hình dạng khơng thay đổivới điều kiện
động cơ nhất thời. Một ví dụ về điều này là khoảng cách giữa lõi động cơvà nhà ở. Tầm
quan trọng của tham số này được thể hiện trong [3] được tham chiếu trước đó vàcũng
được minh họa trong phân tích độ nhạy ở Phần 3.4. Khoảng cách này phụ thuộc vàosự
chênh lệch nhiệt độ giữa vỏ và lõi, và vỏ nhômvà các lớp thép có hệ số giãn nở nhiệt
khác nhau. Với hiện tạiphần mềm, khe hở không đổi khi nhiệt độ thay đổi. Điều này u
cầu thủ cơngsự lặp lại của hình học khe hở để dự đốn chính xác nhiệt độ động cơ.

3.2 Thermsim
Thermsim là phần mềm mơ hình nhiệt độc quyền được phát triển nội bộ. Nó là nền
tảngdựa trên các phương trình trong bài báo của Mellor [4] với mạng điện trở nhiệt được
hiển thị trongHình 3. Mơ hình được giải quyết bằng Matlab ™, với thiết lập và lập
trìnhsử dụng Simulink ™ như thể hiện trong Hình 4. Microsoft Excel được sử dụng cho
các đầu vào vàkết quả đầu ra với mơ hình Simulink ™, cũng như để giải quyết vấn đề
điện trở nhiệt và nhiệtthông số điện dung. Các đầu vào cho Thermsim bao gồm các thuộc
tính vật liệu vàhình học cho vỏ, lớp phủ, nam châm, bao gói và cuộn dây, cũng nhưcác

đặc tính nhiệt của cuộn dây và các đặc tính hình học và dịng chảy của nước làm mát.Các
bảng đầu vào Thermsim cho được hiển thị trong Phụ lục A. Một ví dụ về mơ hình điện
trởđược thể hiện trong Hình 5, trong khi các yếu tố tương quan được thể hiện trong Hình
6 . Các thơng số đã vượt quasang mơ hình Simulink ™ từ Excel bao gồm điện trở nhiệt,
điện dung nhiệt

12


tốc độ động cơ, mômen động cơ, thông tin tổn thất và các thông số chất lỏng làm mát.
Simulink ™cũng có thể được sử dụng trực tiếp cho các đầu ra, như trong Hình 7.

13


Figure 3 - Thermal Network Model

14


Hình 4 - Ví dụ về mơ hình nhiệt Simulink

15


Các lợi ích khi sử dụng phần mềm được phát triển nội bộ này bao gồm lịch sửmối
tương quan với nhiều loại động cơ sản xuất, cũng như khả năng khám phá vàhiểu các giả
thiết được thực hiện đối với mỗi điện trở nhiệt và điện dung. Động cơthử nghiệm nhiệt
tốn nhiều thời gian và tốn kém; do đó mối tương quan này với động cơ thựcthử nghiệm là
một tài sản quý giá của phần mềm này. Tuy nhiên, một nghiên cứu về mối tương quan

vớidữ liệu thử nghiệm có thể dễ dàng được sao chép cho phần mềm mới với điều kiện là
thử nghiệm đãđã được hoàn thành. Khả năng khám phá và chỉnh sửa các phương trình và
giả định được thực hiện chomỗi điện trở nhiệt và điện dung đều rất có giá trị để có được
mộttương quan và giải thích kết quả cho một loại động cơ có bất kỳ hình dạng hoặc cuộn
dây nàocác biến thể so với thiết lập tiêu chuẩn, như thường xảy ra với các động cơ xe
cơng suất lớn.Tính mở này tạo điều kiện thuận lợi để khắc phục sự cố bất kỳ sự khác biệt
nào giữa các giá trị được kiểm tra vàmơ hình giả định về diện tích hoặc mức điện trở
nhiệt
Hạn chế đối với phần mềm được phát triển nội bộ bao gồm thiếu kết quả trực
quanliên quan đến hình học động cơ, thiếu đầu vào trực quan, yêu cầu về sự tương
quancác yếu tố như trong Hình 6 và giới hạn của loại động cơ. Thiếu kết quả đầu ra trực
quanvà đầu vào làm giảm đáng kể khả năng nhanh chóng nhận ra lỗi đầu vào hoặcdị
thường tính toán. Kết quả đầu ra trực quan cũng giúp minh họa các lĩnh vực cơ hội
chocải thiện làm mát. Ví dụ, một đầu ra cho thấy rằng các đầu cuối của động cơ rất
nóngtrong khi vỏ bao quanh mát mẻ, cho phép tăng cường tập trung vào giao diện
giữađầu cuối và cuộn dây cung cấp những lợi ích đáng kể. Việc sử dụng tương quan bắt
buộccác yếu tố là do sự khác biệt của mơ hình so với hình dạng thực tế hoặc khi hình
dạng thực tếkhơng được biết chính xác. Thermsim sử dụng hai yếu tố tương quan, nhiệt
lót khehệ số kháng 1,3 và hệ số khoảng cách từ stato đến vỏ là 2,0. Những
16


các yếu tố tương quan đã được xác định bằng cách điều chỉnh để phù hợp nhất với
nhiềuvị trí nhiệt trong động cơ, bao gồm cả cuộn dây cuối và rãnh trên và dướicác phép
đo nhiệt độ. Sự cần thiết của các yếu tố tương quan có thể do khoảng trốngtrong sự đóng
gói và điện trở tiếp xúc chưa biết trong giao diện rãnh và phần ứngkhu vực. Hiện tại phần
mềm nội bộ chỉ hữu ích trên nam châm vĩnh cửu không chổi thanđộng cơ và động cơ
cảm ứng. Cần phải lập trình lại đáng kể đểsử dụng cơng cụ này cho động cơ chổi than,
động cơ không chổi than nam châm vĩnh cửu rơto bên ngồi, chơnđộng cơ PM nam
châm, động cơ có chổi than và động cơ điện trở chuyển mạch. Thương mạiphần mềm có

sẵn đã được mua và đánh giá vì những lý do này.

17


R with air
Rspace

0.357534847
0.003677126

R20

3.58E-01

endturn edge to space between endbell and endturn, axial

Calculations:
ecap

radial direction, entire motor
r2
r1
Roa
R1a
Rma
Recap
area convection
Rair

187.8932
145.6342
0.011031378
0.005515689
-0.001838563
0.003677126
121640.7108
5.28E-01

mm^2

Endbell, Length
Endbell Conduction
area
length
Rconduct - endbell

3.81
4.78E-04

47,751 mm^2
mm
deg C/W

Contact Drop

Estimated Gap
conductivity of air
area of ecap / housing interaface
contact drop, slip fit

0.574
0.0000340
47,751
0.3534

mm
W/mm/deg C
mm^2
deg C / W

Hình 5 - Ví dụ tính tốn điện trở nhiệt
Conductivity
Motor Components:
W/mm/deg C
slot liner
0.000124615
housing
0.167
0.167
front endbell
0.167
rear endbell
shaft
0.052
mounting surface
0.167
0.05096
laminations, radial
0.167

magnet
52
yoke
slot insulation
0.0026
endturn insulation
0.0026
interstitial stator / housing gap 1.34E-04
0.000034
rotor coolant
0.167
rotor bars
Ecap to Alumimum Contact Drop

Specific heat
J/Kg/deg C

density
Kg/m^3

896
896
896
465
896
465.000
460
465
1220
1090

2700
2700
2700
7833
2700
7833

reference:
1.30
correlation factor to match test

7833
1828
1828
2.00
correlation factor to match test

34
0.034
896
2700
correlation factor to match test

Hình 6 - Dữ liệu đầu vào của thành phần với các yếu tố tương quan

18


Hình 7 - Ví dụ đầu ra Simulink

19


3.3 Động cơ-CAD ™
Lợi ích rõ ràng nhất khi sử dụng phần mềm Motor-CAD ™ có sẵn trên thị trường làGiao
diện đồ họa người dùng. Phần mềm tạo cả mặt cắt trục và hướng tâm của động cơmơ hình
như hình học là đầu vào. Điều này cho phép kiểm tra rất rõ ràng và nhanh chóng để xác
minhrằng hình học đầu vào là chính xác. Ví dụ về các trang đầu vào này nằm trong Hình
8và Hình 9. Các đầu vào làm mát và cuộn dây được thể hiện trong Hình 10 và Hình 11,
vớimạng nhiệt và trình biên tập mạch được hiển thị như Hình 12 và Hình 13. Đầu rakết
quả nhiệt độ được hiển thị một cách rõ ràng tương tự, với nhiệt độ được hiển thịtại các
nút trên hình học động cơ. Chế độ xem này giúp minh họa vị trí của các điểm nóng vàcác
đường dẫn nhiệt được định vị. Điều này được minh họa trong Hình 14 và Hình 15
Đầu vào Motor-CAD ™ rất giống với Thermsim, bao gồm cácđặc tính hình học
và vật liệu cho vỏ, cán mỏng, nam châm, bao gói,và cuộn dây, cũng như các đặc tính
nhiệt của cuộn dây và hình dạng và dịng chảy làm mát chất lỏngtính chất. Motor-CAD
™ cũng sử dụng các yếu tố tương quan, đặc biệt là ngâm tẩmtốt cho cuộn dây cuối, giao
diện liner-lam, và các phần cuộn dây hoạt động vàbầu tốt ở cuối quanh co. Các yếu tố
tương quan này có sẵn để tínhđối với các khoảng trống khơng xác định và khoảng trống
điện trở tiếp xúc xuất hiện trong quá trình sản xuất.
Mạng nút cho Motor-CAD ™ rất giống với mạng nút choThermsim, với một vài
tính năng bổ sung. Cuộn dây hoạt động được biểu diễn bằng một chuỗicủa các lớp chất
đóng gói và đồng, trái ngược với nút điểm đơn trong Thermsim.Mạng nút cũng kết hợp
các đường dẫn làm mát bổ sung bên trong động cơkhông gian, tuy nhiên điều này ít ảnh
hưởng đến động cơ làm mát bằng chất lỏng. Mạng nút choMotor-CAD ™ linh hoạt và
thay đổi dựa trên loại làm mát đã chọn.
20