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

Численное моделирование жидкостного охлаждения малогабаритного электродвигателя

А.В. Казаков, Н.М. Труфанова

Ключевые слова:моделирование, охлаждение

Современные технологии позволяют создавать достаточно компактные электродвигатели, обладающие высокой мощностью. Их применение значительно снижает массогабаритные параметры установок, в которых они используются, а так же существенно расширяет возможную сферу их использования. Однако ввиду малых габаритов и массы электродвигателя и высокой мощности нагружения весьма острым становится вопрос отвода выделяемой в обмотках тепловой энергии. В общем случае она частично тратится на повышение температуры самого двигателя, частично рассеивается в окружающую среду. Чем эффективнее будет теплоотвод, тем меньшему нагреву подвергнется сам двигатель, что существенно скажется на его ресурсе.

Процесс управления охлаждением такого двигателя существенно упрощается, если обеспечивается системой автоматизированного управления, которая исключает какие-либо действия от оператора, сводя, тем самым, к минимуму негативные последствия «человеческого фактора» и многократно увеличивая быстродействие и надежность всей системы в целом. Однако подобные системы требуют заранее известных зависимостей параметров процесса от, скажем, температуры, или интенсивности охлаждения. Даже адаптивная система не сможет поддерживать оптимальные параметры технологического режима, если в нее не будут заложены все возможные реакции на изменение влияющих на процесс факторов. Поэтому, прежде чем внедрять подобную систему управления, необходимо получить набор зависимостей, оценить реакцию системы на совокупности внешних факторов воздействия.

В качестве объекта исследования был выбран трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью порядка несколько сотен ватт с диаметром и длиной корпуса 20 мм и 35 мм соответственно. Такой электродвигатель используется в качестве рабочего органа малогабаритного трехкоординатного фрезерного станка. Двигатель снабжен контроллером управления, который поддерживает заданные обороты вне зависимости от приложенной к валу нагрузки. Разумеется, при изменении нагрузки будет меняться тепловыделение, что требует принятия активных мер управления процессом охлаждения.

Существуют различные способы охлаждения, но, учитывая специфику применимости и высокую скорость нагрева, было предложено охлаждение проточной жидкостью в кольцевом зазоре, образованном гладкой внешней стенкой электродвигателя и дополнительной рубашкой. В качестве хладагентов согласно ГОСТ 20459-87 были выбраны вода, масло и керосин.

Задачей данного исследования являлось определение зависимости эффективности охлаждения от таких параметров как физико-реологические свойства применяемого хладагента, его расхода и толщины кольцевого зазора для различных режимов (выделяемой мощности).

На рис. 1 представлен фрагмент головки фрезерной установки, а также упрощенное представление кольцевого зазора циркуляции охлаждающей жидкости. Рубашка имеет два патрубка подачи и отъема жидкости из охлаждающего зазора, которые необходимо учитывать в расчете, т.к. они оказывают существенное влияние на формирование спиралевидного потока жидкости в зазоре.

Задача решалась численно, с использованием метода конечных элементов [1, 2].

Общий вид электродвигателя с кожухом охлаждения Упрощенный вид канала

Рис. 1. Геометрическое представление исследуемого объекта

Несмотря на то, что канал имеет весьма простую форму (с целью упрощения пренебрегли сложной формой канала в зоне уплотнения), некоторую сложность представлял процесс разбиения на массив конечных элементов, т.к. длина цилиндра превышала толщину стенки в несколько десятков раз. Поэтому применялась неравновесная сетка 8-ми узловых элементов, которая обеспечивала практически ту же сходимость, что и равновесная сетка, но в разы ускоряла процесс счета.

При моделировании процесса тепломассопереноса были приняты следующие допущения: процесс стационарный, теплофизические свойства охлаждающей жидкости постоянны, теплоноситель охлаждался во внешнем контуре до температуры окружающей среды, тепловой поток от двигателя равномерно передавался через цилиндрическую стенку.

В результате расчетов были получены поля температуры, давлений, векторные поля скоростей жидкости в кольцевом зазоре. Один из примеров, наглядно иллюстрирующих распределение жидкости в зазоре контура охлаждения, представлен на рис. 2. Хорошо видна структура потоков жидкости.

Рис. 2. Распределение потоков охлаждающей жидкости в канале

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективным хладагентом являлся керосин, давление жидкости в зазоре не превосходили допустимых для резиновых уплотнителей значений. Также были получены зависимости необходимого расхода охлаждающей жидкости для различных нагрузок на электродвигатель, что делает возможным создать эффективную и экономичную систему охлаждения. Рассчитанные зависимости могут быть непосредственно внедрены либо в существующую систему охлаждения реального оборудования, либо стать основой для вновь разрабатываемой системы автоматизированного управления.

Список литературы:

1. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов - М.: Мир, 1979. - 392 С.

2. Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах = Computation of conduction and Duct Flow Heat Transfer: Пер. с англ. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 312 с.

^ вверх ^