Analisi di gestione termica del motore a induzione attraverso la combinazione di aria

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10125 (2023) Citare questo articolo

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La corretta strategia di gestione del calore nelle macchine elettriche è estremamente importante a causa dei loro costi di esercizio e della durata di funzionamento. In questo documento vengono sviluppate le strategie degli elementi di gestione termica dei motori a induzione per garantire una migliore resistenza e aumentare l'efficienza. Inoltre, è stata effettuata un'ampia revisione della letteratura in termini di metodi di raffreddamento per macchine elettriche. Come risultato principale, viene fornita l'analisi termica di un motore a induzione raffreddato ad aria e di grande capacità, considerando i noti problemi di distribuzione del calore. Inoltre, questo studio presenta anche un approccio integrato con due o più strategie di raffreddamento in base alle necessità del momento. Un modello di motore a induzione raffreddato ad aria da 100 kW e un modello di gestione termica migliorata dello stesso motore sono stati entrambi studiati numericamente, utilizzando una combinazione di raffreddamento ad aria e sistemi di raffreddamento ad acqua integrati per ottenere un miglioramento significativo dell'efficienza del motore. Il sistema integrato comprendente sistemi raffreddati ad aria e ad acqua viene studiato utilizzando SolidWorks 2017 e ANSYS Fluent versione 2021. Tre diverse portate d'acqua 5 LPM, 10 LPM e 15 LPM vengono analizzate e confrontate con un motore a induzione raffreddato ad aria convenzionale, che è stato validato con le risorse pubblicate disponibili. Le analisi effettuate indicano che per diverse portate rispettivamente di 5 LPM, 10 LPM e 15 LPM, abbiamo ottenuto una riduzione della temperatura rispettivamente del 2,94%, 4,79% e 7,69%. Pertanto, i risultati hanno indicato che un motore a induzione integrato è efficiente nel ridurre la temperatura rispetto al motore a induzione raffreddato ad aria.

Il motore elettrico è una delle invenzioni chiave delle moderne scienze ingegneristiche. I motori elettrici sono utilizzati in diversi settori, dagli elettrodomestici ai trasporti, passando per quello automobilistico e aerospaziale. I motori a induzione (IM) sono diventati sempre più popolari negli ultimi anni grazie alla loro elevata coppia di avviamento, al buon controllo della velocità e all'adeguata capacità di sovraccarico (Fig. 1). Il motore a induzione non solo fa accendere la lampadina, ma alimenta anche la maggior parte dei gadget di casa ogni giorno, dallo spazzolino da denti all'auto Tesla. La potenza meccanica viene creata in un IM dal contatto dei campi magnetici degli avvolgimenti dello statore e del rotore. Inoltre, poiché i metalli delle terre rare sono in offerta limitata, i MI sono una scelta praticabile. Tuttavia, lo svantaggio principale dei MI è che la loro durata e la loro efficienza dipendono molto dalla temperatura. I motori a induzione consumano circa il 40% di tutta l’elettricità nel mondo, il che dovrebbe farci pensare che la gestione energetica di queste macchine sia assolutamente cruciale.

Elenco delle caratteristiche del motore a induzione.

L'equazione di Arrhenius afferma che la durata di vita dell'intero motore si dimezza ogni volta che la temperatura di funzionamento aumenta di 10 °C. Pertanto, per garantire l’affidabilità e migliorare le prestazioni della macchina, è necessario concentrarsi sulla gestione termica dei MI. L'analisi termica ha raccolto un'attenzione insufficiente in passato e gli sviluppatori di motori l'hanno affrontata solo marginalmente sulla base delle competenze di progettazione o di altre variabili di dimensionamento come la densità di corrente dell'avvolgimento, ecc. Questi metodi portano ad applicare un ampio fattore di sicurezza, per gestire il riscaldamento peggiore situazioni che portano quindi al sovradimensionamento della macchina e, di conseguenza, ad un aumento dei costi.

L'analisi termica è classificata in due tipologie: circuiti analitici concentrati e approcci numerici. Il vantaggio principale dell'approccio analitico è la sua capacità di calcolare in modo rapido e preciso. Tuttavia, è necessario fare molto lavoro per definire un circuito che sia sufficientemente preciso da imitare i percorsi del calore. Gli approcci numerici, d'altro canto, sono generalmente classificati come fluidodinamica computazionale (CFD) e analisi termica strutturale (STA), che utilizzano entrambi l'analisi degli elementi finiti (FEA). L'analisi numerica ha il vantaggio di permetterci di simulare la geometria del dispositivo. Tuttavia, a volte potrebbe essere difficile per quanto riguarda la configurazione del sistema e il lavoro informatico. Gli articoli scientifici discussi di seguito sono esempi selezionati di analisi termica ed elettromagnetica di vari moderni motori a induzione. Questi articoli hanno ispirato gli autori a intraprendere un lavoro sui fenomeni termici nelle macchine a induzione e sui metodi del loro raffreddamento.