Motor-CAD là phần mềm mô phỏng quá trình phát nhiệt trong khi hoạt động của các loại động cơ, dựa trên phân tích mạch tập trung. Dựa trên kết quả phân tích nhiệt, giúp tối ưu trong quá trình thiết kế tản nhiệt cho động cơ. Phương pháp phân tích mạch tập trung có lợi thế hơn về tốc độ tính toán so với các phương pháp số. Mô hình nhiệt được phân tích tương tự như mô hình mạch điện với việc tính toán các điện trở nhiệt, đối lưu và bức xạ cho các bộ phận khác nhau của kết cấu động cơ. Khả năng tính toán và cho ra kết quả gần như tức thì cho phép Motor-CAD thực hiện dễ dàng các phương án thay đổi khác nhau [100]–[102]. Các nút được tự động đặt tại các điểm quan trọng trên mặt cắt của động cơ, được liên kết bởi các điện trở dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Nguồn nhiệt phát ra từ các tổn hao trong dây quấn stator, thanh dẫn rotor, mạch từ, cơ.
Tính toán và giải quyết vấn đề tản nhiệt cho động cơ là một việc rất quan trọng. Thiết kế nhiệt phải đảm bảo nhiệt độ dây quấn không được vượt quá giới hạn của lớp cách điện được chọn. Khi thay đổi các cấu trúc và phương thức làm mát khác nhau
50 phân tích nhiệt và giới hạn ngưỡng nhiệt độ của cấp cách điện, có thể lựa chọn kết cấu làm mát tối ưu cho động cơ [103].
Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc liên tục
*) Trường hợp nắp động cơ kín
Hình 3.3 biểu diễn nhiệt độ theo thời gian của một số bộ phận trong động cơ servo không đồng bộ ở chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên tại tốc độ n=500rpm,
mômen đạt được của động cơ M = 4,8 N.m. Nhiệt độ môi trường là 400C, sau khoảng thời gian 3,8h nhiệt độ động cơ đạt bão hòa.
Hình 3.3. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên
Mặt cắt nhiệt của động cơ (Hình 3.4, Hình 3.5) thể hiện các giá trị nhiệt điển hình tại một số bộ phận trong động cơ như vỏ, dây quấn, ổ bi… ở chế độ làm việc liên tục tại tốc độ n=500 rpm. Kết quả phân tích nhiệt cho thấy, nhiệt độ của dây quấn stator là 154,80C, mạch từ stator là 149,60C, thanh dẫn lồng sóc là 1770C, nhiệt độ vỏ là 143,80C và ổ bi là 144,30C. Các thông số trong mô hình nhiệt của động cơ thiết kế được lựa chọn cấp cách điện (nhiệt) là cấp F.
Qua phân tích kết quả nhận được trong trường hợp nắp kín chúng ta nhận thấy nhiệt độ trên dây quấn stator và rotor ở ngưỡng và vượt quá điều kiện cho phép của cấp F (<1550C). Để thoả mãn điều kiện cấp F, tiếp tục thực hiện mô phỏng với nắp hở để kiểm tra và có kết luận lựa chọn kết cấu nắp khi làm mát tự nhiên.
Hình 3.4. Mặt cắt nhiệt dọc trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục
Hình 3.5. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục
*) Khi thiết kế hở nắp động cơ
Khi thiết kế nắp hở cho động cơ, nhiệt độ trong động cơ sẽ giảm (diện tích phần nắp hở lựa chọn là 10%). Hình 3.6 biểu diễn nhiệt độ theo thời gian của một số bộ phận trong động cơ ở chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên tại tốc độ n=500rpm khi thiết kế hở nắp, sau khoảng thời gian 3,3h nhiệt độ động cơ đạt bão hòa.
52
Hình 3.6. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên với thiết kế hở nắp
Mặt cắt nhiệt của động cơ (Hình 3.7) thể hiện các giá trị nhiệt điển hình tại một số bộ phận trong động cơ như vỏ, dây quấn,… ở chế độ làm việc liên tục tại tốc độ n=500 rpm khi thiết kế nắp hở.
Hình 3.7. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục với thiết kế hở nắp.
Kết quả chi tiết thể hiện các giá trị nhiệt điển hình tại một số bộ phận trong động cơ như trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Nhiệt độ bão hòa một số bộ phận động cơ với trường hợp nắp hở
Nhiệt độ bão hòa (0C)
Dq stator Stator Lồng sóc Rotor Trục Vỏ
Kết quả phân tích nhiệt cho thấy, nhiệt độ bão hòa của dây quấn stator là 940C, giảm 39% so với thiết kế nắp kín. Trong trường hợp này, thời gian để động cơ đạt nhiệt độ bão hòa nhanh hơn (3,3h so với 3,8h với nắp kín). Phân tích kết quả nhận được trong trường hợp nắp hở chúng ta nhận thấy nhiệt độ các bộ phận trong động cơ đều thỏa mãn điều kiện cho phép của cấp F (<1550C). Chính vì vậy tác giả lựa chọn kết cấu nắp hở, làm mát tự nhiên để chế tạo mẫu thử.
Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc ngắn hạn
*) Trường hợp nắp động cơ kín
Hình 3.8 thể hiện độ nhiệt độ theo thời gian của một số bộ phận chính của động cơ tại n = 500 rpm, mômen cực đại Mmax = 15 N.m, chế độ làm việc ngắn hạn. Khoảng
thời gian nhiệt độ dây quấn động cơ đạt đến giới hạn ngưỡng nhiệt độ cho phép của cấp cách điện F với chế độ làm mát tự nhiên là 900s.
Hình 3.8. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự nhiên
Trong Hình 3.8 thể hiện khoảng thời gian làm việc ngắn hạn của động cơ cho đến khi động cơ đạt nhiệt độ giới hạn ngưỡng tới hạn cho phép (cấp cách điện F cho dây quấn và chọn ngưỡng nhiệt độ cực đại của các bộ phận khác như lồng sóc hay rotor là 2200C). Sử dụng phương pháp làm mát tự nhiên, động cơ có thể làm việc trong khoảng thời gian 900s, để nhiệt độ dây quấn đạt 155,60C và nhiệt độ tại điểm cao nhất của động cơ ở thanh dẫn lồng sóc là 207,50C. Mặt cắt nhiệt của động cơ (Hình
54
Hình 3.9. Mặt cắt nhiệt dọc trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn
Hình 3.10. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn
*) Khi thiết kế hở nắp động cơ
Hình 3.11 thể hiện độ nhiệt độ theo thời gian của một số bộ phận chính của động cơ tại n = 500 rpm, làm mát tự nhiên, chế độ làm việc ngắn hạn khi thiết kế nắp hở. Khoảng thời gian nhiệt độ dây quấn động cơ đạt đến giới hạn ngưỡng nhiệt độ cho phép của cấp cách điện F trong trường hợp này là 990s, thời gian làm việc ngắn hạn của động cơ tăng lên 10% (so với 900s trong trường hợp nắp kín). Khi đó nhiệt độ dây quấn đạt 152,50C và nhiệt độ tại điểm cao nhất của động cơ ở thanh dẫn lồng sóc là 212,70C (Hình 3.12).
Hình 3.11. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự nhiên khi thiết kế hở nắp
Hình 3.12. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn khi thiết kế nắp hở