Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2023 - zeszyt 12

Parametrization of the thermal model of induction motor with outer rotor

Parametryzacja modelu termicznego silnika indukcyjnego z wirnikiem zewnętrznym

10.15199/48.2023.12.45

nr katalogowy: 146744
10.15199/48.2023.12.45

Streszczenie

This paper presents a method of parameterization of the thermal model of an electric motor on the example of an external rotor induction motor with high power density. The simulations presented in this paper were carried out on the motor model with a copper rotor cage with a rated power 25 kW and a mass of 16 kg. This construction, due to the demanding operating conditions they are subjected to, require precise thermal analysis at the design stage. In many works, this analysis is usually limited to thermal simulations without taking into account the rotating elements of the motor. This article presents a method of numerical determination of selected parameters of the CFD model, including the value of the heat transfer coefficient through the air gap, taking into account the rotational motion of the rotor, the convection coefficient, describing the intensity of convective heat exchange of the outer surface of the rotor body with the environment, and an alternative method of numerical determination of substitute values stator winding thermal conductivity coefficients. Based on the results obtained in numerical simulations, a three-dimensional CFD model of the motor was developed and solved.

Abstract

W publikacji przedstawiono sposób parametryzacji modelu cieplnego silnika elektrycznego na przykładzie silnika indukcyjnego z wirnikiem zewnętrznym o dużej gęstości mocy. Przedstawione w niniejszej pracy symulacje przeprowadzono na modelu sinika z miedzianą klatką wirnika o mocy znamionowej 25 kW i masie 16 kg. Tego rodzaju konstrukcje, ze względu na wymagające warunki eksploatacji, jakim są poddawane, wymagają precyzyjnej analizy termicznej na etapie projektowania. W wielu pracach analiza ta ogranicza się zwykle do symulacji termicznych bez uwzględnienia wirujących elementów maszyny. W niniejszym artykule zaprezentowano metodę numerycznego wyznaczania wybranych parametrów modelu CFD, w tym wartości współczynnika przenikania ciepła przez szczelinę powietrzną z uwzględnieniem ruchu obrotowego wirnika, współczynnika przejmowania ciepła, opisującego intensywność konwekcyjnej wymiany ciepła zewnętrznej powierzchni obudowy wirnika z otoczeniem oraz przedstawiono alternatywną metodę numerycznego wyznaczania wartości zastępczych współczynników przewodzenia ciepła uzwojenia stojana. Na podstawie wyników uzyskanych w symulacjach numerycznych opracowano i rozwiązano trójwymiarowy model CFD silnika.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] A. Chiba, K. Kiyota, N. Hoshi, M. Takemoto, and S. Ogasawara, ‘Development of a Rare-Earth-Free SR Motor With High Torque Density for Hybrid Vehicles’, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 30, no. 1, pp. 175–182, Mar. 2015, doi: 10.1109/TEC.2014.2343962.
[2] M. Morimoto, ‘Iron loss of non-rare earth traction motor for electric vehicle’, in 2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, France: IEEE, Sep. 2010, pp. 1–4. doi: 10.1109/VPPC.2010.5729030.
[3] N. G. Ozcelik, U. E. Dogru, M. Imeryuz, and L. T. Ergene, ‘Synchronous Reluctance Motor vs. Induction Motor at LowPower Industrial Applications: Design and Comparison’, Energies, vol. 12, no. 11, p. 2190, Jun. 2019, doi: 10.3390/en12112190.
[4] J. D. Widmer, R. Martin, and M. Kimiabeigi, ‘Electric vehicle traction motors without rare earth magnets’, Sustainable Materials and Technologies, vol. 3, pp. 7–13, Apr. 2015, doi: 10.1016/j.susmat.2015.02.001.
[5] T. Wolnik, P. Dukalski, B. Będkowski, T. Jarek ‘Selected aspects of designing motor for direct vehicle wheel drive’, Przeglad Elektrotechniczny, vol. 1, no. 4, pp. 152–155, Apr. 2020, doi: 10.15199/48.2020.04.31.
[6] Y. Xia, Y. Han, Y. Xu, and M. Ai, ‘Analyzing Temperature Rise and Fluid Flow of High-Power-Density and High-Voltage Induction Motor in the Starting Process’, IEEE Access, vol. 7, pp. 35588–35595, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2899346.
[7] P. Dukalski and R. Krok, ‘Selected Aspects of Decreasing Weight of Motor Dedicated to Wheel Hub Assembly by Increasing Number of Magnetic Poles’, Energies, vol. 14, no. 4, p. 917, Feb. 2021, doi: 10.3390/en14040917.
[8] T. Wolnik, V. Styskala, and T. Mlcak, ‘Study on the Selection of the Number of Magnetic Poles and the Slot-Pole Combinations in Fractional Slot PMSM Motor with a High Power Density’, Energies, vol. 15, no. 1, p. 215, Dec. 2021, doi: 10.3390/en15010215.
[9] J. Madej and B. Będkowski, ‘Air flow analysis for electrical motor’s cooling system with autodesk simulation CDF 2013 program‘, Acta Mechanica et Automatica, vol. 7, no. 2, pp. 89– 92, Jun. 2013, doi: 10.2478/ama-2013-0016.
[10] B. Będkowski and J. Madej, ‘The innovative design concept of thermal model for the calculation of the electromagnetic circuit of rotating electrical machines’, Eksploatacja i Niezawosność, vol. 17, no. 4, pp. 481–486, Sep. 2015, doi: 10.17531/ein.2015.4.1.
[11] T. Wolnik, ‘LEMoK – silnik o dużej gęstości mocy’, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, no. 1(127), 2022, pp. 107- 110.
[12] T. Wolnik, T. Jarek, J. Golec, R. Topolewski, and D. Jastrzębski, ‘High Power Density Motor for Light Electric Aircraft – Design Study and Lab Tests’, in 2023 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD), Newcastle upon Tyne, United Kingdom: IEEE, Apr. 2023, pp. 1–6. doi: 10.1109/WEMDCD55819.2023.10110934.
[13] B. Bedkowski, P. Dukalski, T. Jarek, and T. Wolnik, ‘Numerical model for thermal calculation analysis of the wheel hub motor for electric car verified by laboratory tests’, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., vol. 710, no. 1, p. 012018, Dec. 2019, doi: 10.1088/1757-899X/710/1/012018.
[14] P. Dukalski and B. Będkowski, ‘Obliczenia cieplne silnika elektrycznego do zabudowy w piaście koła samochodu‘ Napędy i Sterowanie, vol. 24, no.7/8, pp. 70-76.
[15] Ł. Cyganik and B. Będkowski, ‘Układ mechaniczny przełączania zazębienia pomiędzy silnikiem elektrycznym, przekładnią planetarną oraz piastę koła w napędzie elektrycznym zabudowanym w kole pojazdu’ Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, no. 1(127), 2022, pp. 117-122.
[16] B. Będkowski, J. Madej, ‘Wyznaczenie zastępczej rezystancji cieplnej izolacji żłobkowej – badania I symulacje‘ Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, 2(106), 2015, pp. 117-122.
[17] P. Mynarek, ‘Zastosowanie metody homogenizacji do wyznaczania współczynnika przewodnictwa cieplnego w silnikach elektrycznych’, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 1, no. 1, pp. 183–186, Jan. 2017, doi: 10.15199/48.2017.01.44.
[18] P. Mynarek and M. Kowol, ‘Metoda homogenizacji uzwojeń wsypywanych w maszynach elektrycznych’ Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, 1(105), 2015, pp. 149-154.
[19] G. Kondziołka, ‘Kryteria doboru syciw oraz lakierów elektroizolacyjnych’ Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, 2(102), 2014, pp. 7-10.
[20] S. Opach, ‘Obliczenia wartości zastępczej rezystancji cieplnej szczeliny powietrznej w wirnikowych maszynach elektrycznych, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, no. 1(127), 2022, pp. 101-105.
[21] D. A. Howey, P. R. N. Childs, and A. S. Holmes, ‘Air-Gap Convection in Rotating Electrical Machines’, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 3, pp. 1367–1375, Mar. 2012, doi: 10.1109/TIE.2010.2100337.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2023-12 , nr katalogowy 146744 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2023-12 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	70.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2023-12

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma