Cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu động cơ vai trò của mô phỏng nhiệt VI

Cải thiện hiệu suất động giảm thiểu động Vai trị mơ nhiệt Dr David Staton Motor Design Ltd dave.staton@motor-design.com Todays Topics Motor Design Ltd (MDL) Cần cơng cụ cải tiến để phân tích nhiệtmáy điện Các vấn đề quan trọng phân tích nhiệt điệnĐộng Ví dụ việc sử dụng phân tích nhiệt để tối ưu hóathiết kế máy điện Motor Design Ltd  Based in Ellesmere, Shropshire, UK  On England/Wales border  South of Chester and Liverpool  MDL Team:  Dave Staton Consultancy) (Software Development &  Mircea Popescu (Consultancy)  Douglas Hawkins (Software Development & Consultancy)      Gyula Vainel (Motor Design Engineer) Lyndon Evans (Software Development) James Goss (EngD – Motor-LAB) Lilo Bluhm (Office Manager) Many University Links:  Sponsor Students in UK at present  Many links with universities throughout world  Bristol, City, Edinburgh, Mondragon Sheffield, Torino, … Dave Staton Apprentice/Electrician - Coal Mining Industry (1977 - 1984) – BSc in Electrical Engineering at Trent Polytechnic (Nottingham) PhD at University of Sheffield (1984 - 1988) – CAD of Permanent Magnet DC Motors (with GEC small machines) – 95% electromagnetic aspects and less than 5% on thermal aspects Design Engineer - Thorn-EMI CRL (1988-1989) – design of electric motors for Kenwood range of food processors Research Fellow - SPEED Laboratories (1989 - 1995) – help develop SPEED electric motor design software – predominantly on electromagnetic aspects Control Techniques (part of Emerson Electric) (1995 - 1998) – design of servo motors – More involved in thermal analysis as we were developing radically new motor constructions (segmented laminations) that we had no previous experience Set up Motor Design Ltd in 1998 to develop heat transfer software for electric machine simulation – there was no commercial software for thermal analysis of motors – such analysis was becoming more important in the design process (volume/weight minimisation, energy efficiency, etc.) Given many courses on motor design and thermal analysis of electric machines worldwide Motor Design Ltd (MDL)  set up in 1998 to develop software for design of electric motors and provide motor design consulting and training SPEED, Motor-CAD, FLUX and PORTUNUS software  distribute complete package for electric motor and drive simulation software package also used in our consulting work which helps with development Todays Topics Motor Design Ltd (MDL) Cần công cụ cải tiến để phân tích nhiệtmáy điện Các vấn đề quan trọng phân tích nhiệt điệnĐộng Ví dụ việc sử dụng phân tích nhiệt để tối ưu hóathiết kế máy điện Thiết kế nhiệt điện từ Theo truyền thống động điện, thiết kế nhiệtthiết kế ý nhiều so vớithiết kế điện từ • nhà thiết kế động điện có xu hướng có điệnnền tảng kỹ thuật khí? • Các cơng cụ CAD cho thiết kế nhiệt có xu hướng rấtchuyên biệt yêu cầu kiến thức sâu rộng truyền nhiệt ▪ MDL phát triển Motor-CAD + Portunus nhiệt / dòng chảythư viện để giúp thực phân tích nhiệt dễ dàng hơnmà khơng cần phải chuyên gia nhiệt ▪ Phần mềm FEA CFD bắt đầu có tính năngbao gồm để giúp thiết lập động điện dễ dàng hơnmô hình nhiệt Cũng có tình trạng tương tự việc làm mát đồ điện tử - Các nhà thiết kế điện tử có xu hướng có điện tử tảng với kiến thức truyền nhiệt Cần phân tích nhiệt củaxe máy điện Ave expected life [hours] 1M Class F 100 K Class 10K A Class B 1K 100 Class H 60 180 120 240 Total winding temp [deg C] Nhiệt độ động giới hạn cuối hiệu suất vàcần coi trọng thiết kế điện từ - Tuổi thọ động phụ thuộc vào nhiệt độ cuộn dây Cần phân tích nhiệt củaxe máy điện Có u cầu động nhỏ hơn, rẻ hiệu đểmột thiết kế tối ưu hóa bắt buộc - Tổn thất phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt độ tổn thấtPhương pháp định cỡ đơn giản dựa đầu vào giới hạn dòng điện quanh comật độ không tốt cho việc tối ưu hóa (xem vài trang trình bày tiếp theo) - phụ thuộc vào trải nghiệm người dùng trình sản xuất vàvật liệu sử dụng có xu hướng trở nên khơng xác thửmột thiết kế - Không cho nhà thiết kế biết nơi cần tập trung nỗ lực thiết kếđể giảm nhiệt độ Cần kết hợp phương pháp phân tích phương pháp số - Nhiều ứng dụng khơng có hoạt động trạng thái ổn định để có đượcthời gian tính tốn q độ hợp lý kỹ thuật mạch gộp làcần thiết - CFD / FEA hữu ích để giúp thiết lập mơ hình xác ▪ Phần mơ hình tốt ví dụ truyền nhiệt qua cuộn dây, mơ hình quạt, v.v Phương pháp định cỡ động truyền thống định cỡ dựa tham số - điện trở nhiệt khả chịu nhiệt hệ số truyền nhiệt nhà mật độ dòng điện quanh co tải điện cụ thể liệu nhiệt từ – - quy tắc ngón tay đơn giản  A/mm2, 12 W/m2/C etc – thử nghiệm động có – - liệu danh mục đối thủ cạnh tranh khơng xác RTH [oC/W] P [W] Twinding Hệ số truyền nhiệt h [W/(m2.oC)] - tham số mô tả chất phức tạp làm mát động hiểu biết nơi đểtập trung nỗ lực thiết kế Các giải pháp thay phân tích gộpphân tích nhiệt mạch vàphân tích nhiệt số Tambient Xác nhận nhiệt chu kỳ nhiệm vụPhân tích thống qua (Khơng gian vũ trụ) • tải phức tạpđược mơ hình hóa Motor-CAD làhiển thị bên dưới: • thỏa thuận tuyệt vờigiữa tính tốnphản ứng nhiệt vànhiệt độ đo Mơ hình hóa nhiệt động hoạt động ngắn • Động thiết kế để có kích thước trọng lượng tối thiểu để đạt mức caoứng dụng chu kỳ nhiệm vụ ngắn hiệu suất • Tối ưu hóa hiệu suất nhiệt quan trọng để giảm thiểutrọng lượng kích thước • • Motor-CAD sử dụng để phân tích thời tối ưu hóa kích thước • • Thỏa thuận tuyệt vời với liệu thử nghiệm chế tạo nguyên mẫu Temperature varation from calibrated value (K) 60 Impgrenation goodness Wire insulation thickness Slot liner thickness Slot liner-lamination gap 40 20 -20 -40 -60 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 Ratio of parameter variation from calibrated value 0.6 0.8 Tăng nhiệt độ quanh co với dòng điện chiều (0,2 đến 1,1 pu) - Thử nghiệm & Động cơCAD Động kéo IPM Tối ưu hóa áo nước cho động kéo Thỏa thuận tuyệt vời với liệu thử nghiệm nguyên mẫu xây dựng hiển thịmức độ tin cậy vào giá trị mặc định cho vấn đề sản xuất nhưkhoảng cách giao diện statorlamination ECCE 2011 Động kéo BPM Motor-CAD sử dụng để tối ưu hóa việc làm mát động kéo Động có endcap mở với làm mát đối lưu cục bộcuộn dây cuối Độ xác tuyệt vời thể với thời gian tính tốn nhanh chóng PMDC ô tô - Cải thiện khả uốn lượnHệ thống cách nhiệt Nomex Twinding [Test] Trotor [Test] Tmagnet [Test] Tcomm [Test] Thousing [Test] Twinding [Calc] Trotor [Calc] Tmagnet [Calc] Tcomm [Calc] Thousing [Calc] 200 Temperature [°C] 180 Liner 160 140 120 100 80 60 40 20 • • Hai chuyển tiếp hiển thị • Cùng tải với rơto khóa 20A • Một có lp lót Nomex cóbột lót 200 time [min] 160 10 Twinding [Test] Trotor [Test] Tmagnet [Test] Tcomm [Test] Thousing [Test] Twinding [Calc] Trotor [Calc] Tmagnet [Calc] Tcomm [Calc] Thousing [Calc] Powder Liner 180 Temperature [°C] • • ICEM 2008 - phanh điện thủy lực Q • trình ngâm tẩm tối ưu vàkhe lót phép thời gian hoạt động lâu 220 140 120 100 80 60 40 • Lớp lót bột cho phép tải phúthơn 1,8 phút • • Các kết đo lường mô hiển thị 20 10 time [min] 12 14 16 18 Mơ hình chổi PMDC tơ 170.00 160.00 -ve Brush [TEST] +ve Brush [TEST] 150.00 Brush [CALC] Temperature [°C] Temperature [°C] 160.00 150.00 140.00 130.00 120.00 0.00 -ve Brush [TEST] +ve Brush [TEST] Brush [CALC] 140.00 130.00 120.00 110.00 2.00 4.00 6.00 time [s] 8.00 10.00 100.00 0.00 20.00 40.00 60.00 time [s] 80.00 100.00 • • Mơ hình bàn chải cải tiến phát triển với hỗ trợ thử nghiệm rộng rãi 120.00 Phân tích chu kỳ làm việc động Servo • Dự đốn hiệu suất nhiệt động tải chu kỳ làm việc làđiều quan trọng phải phù hợp với động với tải • thống tuyệt vời dự đoán liệu thử nghiệm hiển thị calculation Dây quấn • thống tuyệt vời dự đoán liệu thử nghiệm hiển thịi test Vỏ mặt bích x full-load / 0.5 x full-load thời gian dàihằng số củasố lượng lớn động Phân tích chu kỳ làm việc động Servo Phạm vi thử nghiệm với chu kỳ nhiệm vụ khác nhauđược sử dụng để chứng minh mơ hình – - ký hiệu = Mơ hình động cơ-CAD – - dịng = liệu thử nghiệm Phân tích chu kỳ làm việc động Servo Một lần cho thiết kế động servo tuyệt vờithỏa thuận thử nghiệm tính tốn PEMD 2006 Phân tích rơto bị khóa động cảm ứng thống tuyệt vời thử nghiệm tính tốnmáy cảm ứng thống qua rơto bị khóa Tính tốn lặp lại SPEED Motor-CAD Công việc thực Dave Dorrell Đại học Glasgow IECON 2006 Động không chổi than Rotor bên Dự án với Đại học Bristol đểtối ưu hóa ngồi việc làm mát cánh quạt bên nàyMáy BPM Làm mát phức tạp truyền thốngmáy rôto bên Máy phát đồng TEFC & TENV Phạm vi máy kiểm tra mơ hình tốtmức độ đồng ý – - Hầu hết