Análise de gerenciamento térmico de motor de indução através da combinação de ar

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10125 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A estratégia correta de gerenciamento de calor em máquinas elétricas é de extrema importância devido aos seus custos operacionais e tempo de operação. Neste artigo, as estratégias dos elementos de gerenciamento térmico dos motores de indução são desenvolvidas para garantir melhor resistência e aumentar a eficiência. Adicionalmente, foi realizada uma extensa revisão da literatura em termos de métodos de resfriamento para máquinas elétricas. Como principal resultado é apresentada a análise térmica de um motor de indução refrigerado a ar e de grande capacidade, considerando problemas bem conhecidos de distribuição de calor. Além disso, este estudo também apresenta uma abordagem integrada com duas ou mais estratégias de resfriamento conforme a necessidade do momento. Um modelo de um motor de indução refrigerado a ar de 100 kW e um modelo melhorado de gerenciamento térmico do mesmo motor foram investigados numericamente, usando uma combinação de sistemas integrados de resfriamento a ar e resfriamento a água para alcançar uma melhoria significativa na eficiência do motor. O sistema integrado compreendendo sistemas resfriados a ar e água é investigado usando SolidWorks 2017 e ANSYS Fluent versão 2021. Três vazões diferentes de água 5 LPM, 10 LPM e 15 LPM são analisadas e comparadas com um motor de indução convencional resfriado a ar, que foi validado com os recursos publicados disponíveis. As análises realizadas indicam que para diferentes vazões de 5 LPM, 10 LPM e 15 LPM respectivamente, obtivemos uma redução de temperatura correspondente de 2,94%, 4,79% e 7,69%. Portanto, os resultados indicaram que um motor de indução integrado é eficiente na redução da temperatura em comparação com um motor de indução refrigerado a ar.

O motor elétrico é uma das principais invenções das ciências da engenharia moderna. Os motores elétricos são usados ​​em diversos setores, desde eletrodomésticos até transporte, incluindo automotivo e aeroespacial. A popularidade dos motores de indução (IMs) cresceu nos últimos anos devido ao seu alto torque de partida, bom controle de velocidade e capacidade de sobrecarga apropriada (Fig. 1). O motor de indução não apenas faz a lâmpada brilhar, mas também alimenta a maioria dos aparelhos da sua casa todos os dias, desde uma escova de dentes até um carro Tesla. A energia mecânica é criada em um IM pelo contato dos campos magnéticos dos enrolamentos do estator e do rotor. Além disso, como os metais de terras raras são escassos, os MIs são uma escolha viável. No entanto, a principal desvantagem dos IMs é que a sua vida útil e eficiência são muito sensíveis à temperatura. Os motores de indução consomem cerca de 40% de toda a eletricidade do mundo, o que nos deve fazer pensar que a gestão de energia destas máquinas é absolutamente crucial.

Lista de características do motor de indução.

A equação de Arrhenius afirma que a vida útil de todo o motor é reduzida à metade cada vez que a temperatura de funcionamento é aumentada em 10 °C. Assim, para garantir a confiabilidade e melhorar o desempenho da máquina, é necessário focar no gerenciamento térmico dos IMs. A análise térmica não recebeu atenção suficiente no passado, e os desenvolvedores de motores abordaram-na apenas perifericamente com base na experiência de projeto ou outras variáveis ​​de dimensionamento, como densidade de corrente do enrolamento, etc. situações que levam ao superdimensionamento da máquina e, por sua vez, aumentando o custo.

A análise térmica é classificada em dois tipos: circuitos concentrados analíticos e abordagens numéricas. O principal benefício da abordagem analítica é a capacidade de calcular com rapidez e precisão. No entanto, muito trabalho deve ser despendido para definir um circuito que seja exato o suficiente para imitar as rotas de calor. As abordagens numéricas, por outro lado, são amplamente classificadas como Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e Análise Térmica Estrutural (STA), ambas empregando Análise de Elementos Finitos (FEA). A análise numérica tem a vantagem de nos permitir simular a geometria do dispositivo. No entanto, às vezes pode ser difícil em relação à configuração do sistema e ao trabalho de computação. Os artigos científicos discutidos abaixo são exemplos selecionados de análise térmica e eletromagnética de vários motores de indução modernos. Esses artigos inspiraram os autores a realizar trabalhos sobre fenômenos térmicos em máquinas de indução e métodos de seu resfriamento.