Кафедра "Конструирование и технологии в электротехнике"

Новости

31.12.2017
Коллектив кафедры поздравляет сотрудников и студентов с Новым 2018 годом!

01.09.2017
Поздравляем сотрудников и студентов с Днем знаний и началом нового учебного года!

Контакты

614061, г. Пермь.
ул. проф. Поздеева, 7.
(Комплекс ПГТУ, Корпус «A»)
Тел(Факс). +7 (342) 239-18-48
Тел. +7 (342) 239-18-50
Тел. +7 (342) 239-18-56
e-mail: ktei@pstu.ru

Alex K® 2013

Охлаждение малогабаритного электропривода

Казаков А.В.

Ключевые слова: охлаждение, численное моделирование, реология

Аннотация - развитие современного электропривода идет по пути уменьшения габаритов и увеличения удельной мощности, что, так или иначе, приводит к увеличению рассеиваемой энергии, которую необходимо эффективно отводить. Наряду с воздушным, жидкостное охлаждение остается наиболее востребованным, однако подбор режима работы может явиться весьма нетривиальной задачей, связанной с большим количеством натурного экспериментирования. Предлагаемое решение численного моделирования процесса позволяет существенно сократить число экспериментов и с требуемой точностью предсказать поведение моделируемой установки для различных сочетаний, влияющих на процесс факторов.

I. Введение

Сегодня стало возможным производство компактного электропривода, обладающего высокой удельной мощностью. Однако ввиду малых габаритов и массы весьма острым становится вопрос отвода выделяемой в электрических обмотках тепловой энергии. В общем случае она частично тратится на повышение температуры самого привода, частично рассеивается в окружающую среду. Чем эффективнее теплорассеяние, тем меньше нагревается сам электропривод, что положительно отражается на его ресурсе [1, 2].

В качестве объекта исследования был выбран трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью порядка нескольких сотен ватт с диаметром и длиной корпуса 20 и 35 мм соответственно.

Для подобных конструкций используются различные схемы охлаждения (естественное и принудительное воздушное, на основе фреон содержащих систем с фазовым превращением рабочего тела и т.п.). В данном исследовании было рассмотрена система активного охлаждения проточной жидкостью в кольцевом зазоре, образованном гладкой внешней стенкой электродвигателя и дополнительной рубашкой [4].

Целью исследования ставилось определение зависимости эффективности охлаждения от параметров работы электропривода и свойств используемого хладагента.

II. Описание установки

Кожух охлаждения представляет собой равномерный кольцевой зазор, снабженный двумя патрубками подачи и отъема хладагента. Их взаимное расположение учитывалось в расчете, т. к. эксперименты показали, что оно оказывает существенное влияние на формирование потока хладагента и, как следствие, влияет на эффективность всего процесса в целом.

Был проведен анализ типовых конструкций охлаждающих устройств, который выявил основные виды конфигурации зазора [5]. Условно их можно поделить на два типа:

1. Конструкции, создающие кольцевой зазор между внешней непроницаемой стенкой электродвигателя и внутренней гладкой стенкой рубашки. Основные различия заключаются в расположении вводных патрубков.

2. Конструкции, в которых создается направленный спиралевидный поток охлаждающей жидкости.

Изучение применяемых конструктивных решений позволило предложить альтернативную геометрию рубашки охлаждения, которая, с одной стороны, была бы легко реализуема и не требовала бы сложного производственного оборудования, а с другой - обеспечивала эффективное охлаждения электродвигателя [6-8].

Рис. 1. Предлагаемая рубашка охлаждения

На рис. 1 показан внешний вид базовой модели канала охлаждения с основными геометрическими размерами [9]. Основное отличие от ранее существующих конструкций - несоосное расположение патрубков, которое должно обеспечить лучшие условия для формирования закрученного потока.

III. Моделирование

Как было отмечено ранее, с целью упрощения процедуры определения режимов работы рассматриваемой системы охлаждения, было принято решение о математическом моделировании. При этом были приняты следующие допущения: процесс стационарный, теплофизические свойства охлаждающей жидкости постоянны, хладагент охлаждался во внешнем контуре до температуры окружающей среды, тепловой поток от привода равномерно передавался через его цилиндрическую стенку, температура электропривода принималась равной температуре на его поверхности.

В трехмерной декартовой системе координат с учетом сделанных допущений основные уравнения состояния среды [10] выглядят следующим образом [11]:

(1)

(2)

(3)

(4)

где x, y и z - декартовы координаты; vx, vy и vz - компоненты вектора скорости; P - давление; T - температура; ρ - плотность; C - теплоемкость; λ - теплопроводность; μ - вязкость; - компоненты тензора напряжения.

Систему (1)-(4) необходимо дополнить граничными условиями (расход жидкости на входном патрубке через эпюру скорости, температура окружающей среды на входе, нулевые скорости на неподвижных стенках канала, нулевой тепловой поток с внешних стенок канала, тепловой поток с поверхности двигателя, атмосферное давление на выходе) и физико-реологическими свойствами исследуемых хладагентов.

Задача решалась численно, с использованием метода конечных элементов [12-13].

Для оценки сходимости численного метода были проведены исследования зависимости средней температуры на выходном патрубке от количества счетных итераций и от числа конечных элементов модели.

Был проведен расчет для определения степени влияния условий теплоотдачи в окружающую среду с внешней стенки рубашки за счет конвекции и излучения, который показал, что абсолютная разница температур на внешней стенке для модели, учитывающей теплоотдачу, и для модели без таковой составляет 0,83 градуса. Таким образом, основной теплоотвод от электропривода происходит через жидкий теплоноситель, и теплоотдачей с внешней стенки можно пренебречь, что позволило существенно упростить математическую модель.

Дополнительно было оценено влияние силы земного тяготения на условия течения и охлаждения в контуре: наилучшее охлаждение обеспечивал вариант подачи хладагента снизу.

Поскольку в качестве хладагента возможно применение различных жидкостей [14] была проведена серия расчетов с наиболее подходящими для этих целей жидкостями - водой, маслом и керосином. Были определены зависимости температуры на выходе охлаждающей рубашки от расхода, максимальная температура на внешней поверхности привода, расход, обеспечивающий допустимую температуру на электроприводе и превышение давления в канале над атмосферным.

Анализируя полученные результаты, был сделан вывод о том, что наиболее эффективной средой охлаждения для данной конфигурации явилась вода. Она обеспечивала как максимальную температуру на выходе и минимальную на электродвигателе, так и наименьший расход хладагента и минимальное давление внутри охлаждающего зазора. Применение масла оказалось невозможным, т. к. высокое давление в зазоре привело бы к подтеканию резиновых уплотнителей канала.

Для определения оптимальной геометрии все основные типы конструкций рубашек охлаждения были смоделированы и просчитаны с учетом сделанных ранее упрощений.

Были смоделированы следующие типы геометрий: модель А имела входные патрубки на одной стороне, оси патрубков проходят через ось кольцевого зазора; модель Б - предлагаемый вариант (патрубки на одной стороне, смещены в стороны относительно плоскости симметрии кольцевого зазора); В - вариант модели Б, у которого патрубки направлены в разные стороны; Г - спиральный канал, стенки которого частично соприкасаются; Д - полностью изолированный спиральный канал.

Для всех моделей были рассчитаны и построены тепловые поля, линии тока, эквивалентные геометрические модели и технологические параметры (расход, давление, максимальная скорость потока и т. п.), обеспечивающие требуемые условия охлаждения электродвигателя. Также было определено характерное число Рейнольдса для оценки применимости модели ламинарного течения.

Анализ результатов расчета показал, что наиболее эффективными будут модели с направляющими потока, которые формируют многовитковую структуру течения охлаждающей жидкости [15]. Однако создать подобные каналы сложно, и требуются специальные методы обработки заготовок. Из моделей с плоским кольцевым зазором наибольшей эффективностью обладают предложенные модели Б и В, однако в силу специфики конструктивных особенностей рубашку модели В применить не удалось.

Таким образом, была подтверждена эффективность предложенной рубашки охлаждения для конкретных условий работы малогабаритного электродвигателя.

На рис. 2 приведено распределение потоков жидкости в зазоре контура охлаждения. Хорошо видна структура потоков и наиболее нагретые участки канала.

Рис. 2. Распределение потоков хладагента в канале модели Б

Для данной конструкции были рассчитаны и построены зависимости температуры электропривода от ширины кольцевого зазора, от температуры хладагента на входе (что может иметь место при изменении условий охлаждения внешнего контура).

Анализ зависимостей показал практически пропорциональное изменение температуры электродвигателя от температуры хладагента на входе охлаждающей рубашки. Данное обстоятельство позволяет посредством измерения температуры хладагента на выходе внешнего контура охлаждения оперативно регулировать мощность электродвигателя для недопущения его перегрева либо увеличивать расход хладагента (в случае, если снижение мощности недопустимо).

Уменьшение величины зазора положительно сказывается на условиях отъема энергии с поверхности электродвигателя, однако при этом существенно возрастает давление в канале. Поэтому для итоговой конструкции был выбран зазор такой толщины, который, с одной стороны, обеспечил бы максимальную эффективность охлаждение, а с другой - не приводил бы к чрезмерным давлениям в зазоре для выбранного хладагента во всем рабочем диапазоне расходов [16].

Применение такой сложной модели имеет существенное преимущество по сравнению с существующими методиками инженерного расчета, а именно возможность адаптации модели под разнообразные геометрии канала (кольцевой, спиралевидный), граничные условия охлаждения и свойства хладагентов. Кроме того, присутствуют широкие возможности модификации модели для расчета, скажем, турбулентных течений или для учета инерционных составляющих от перемещения фрезерной головки по произвольной траектории с высокими ускорениями.

Рассчитанные зависимости могут быть либо непосредственно внедрены в существующую систему охлаждения реального оборудования, либо стать основой для вновь разрабатываемой системы автоматизированного управления.

Библиографический список

[1] Валев С. В поисках идеального решения: жидкостное охлаждение в современных компактных корпусах высокой мощности // Силовая электроника. - 2005. - № 3. - С. 92-95.

[2] Новожилов Ю.Н. Система охлаждения электродвигателей // Промышленная энергетика. - 2005. - № 3. - С. 16-17.

[3] Никитин М.Н. Исследование теплообмена с жидкой фазой в кольцевом канале охлаждающего корпуса смесительного теплогенератора // Тепловые процессы в технике. - 2013. - № 9. - С. 404-410.

[4] Bezyukov O.K., Zhukov V.A., Zhukova O.V. Effectiveness of liquid cooling systems in motors and manufacturing equipment // Russian Engineering Research. - 2008. - V. 28. № 11. - P. 1055-1057.

[5] Бажан П.И., Каневец Г.В., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 342 с.

[6] Харьков Н.С., Петриченко М.Р., Чамкина М.В. Возможно ли восстановление напора в цилиндрическом закрученном потоке? // Инженерно-строительный журнал. - 2011. - № 1. - С. 12-16.

[7] Петриченко М.Р., Харьков Н.С. Экспериментальное исследование пропускной способности цилиндрического канала при малой интенсивности закрутки потока // Вестник МАНЭБ. - 2008. - Т. 14. - Вып. 2. - С. 129-133.

[8] Петриченко М.Р., Харьков Н.С. Гидравлические потери на основном участке цилиндрического канала при малой интенсивности закрутки // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2008. - № 63. - С. 237-242.

[9] Казаков А.В., Труфанова Н.М. Численное моделирование жидкостного охлаждения малогабаритного электродвигателя // Известия Томского политехнического университета. - 2014. - Т. 325. № 4. - С. 16-24.

[10] Tu J., Guan H.Y., Chaoqun L. Computational fluid dynamics. - USA, Burlington: Betterworth-Heinemann, 2008. - 459 p.

[11] Бекнев В.С., Епифанов В.М., Леонтьев А.И. Газовая динамика. Механика жидкости и газа / под общ. ред. А.И. Леонтьева. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 671 с.

^ вверх ^