تحلیل حرارتی الکتروموتور و ماشین های الکتریکی آسنکرون
ماشین های الکتریکی چیست
ماشین های الکتریکی سازه‌های مرکبی هستند که از جهت انتقال حرارت پیچیده به نظر می‌رسند. از سوی دیگر تحلیل حرارتی در بخشهای مختلف یک ماشین الکتریکی خصوصاً عایقهای آن حائز اهمیت بسیار است، زیرا افزایش درجه حرارت یکی از عوامل محدود کننده طراحی موتور است.
در این مقاله با استفاده از روشهای کلاسیک انتقال حرارت و تشابه حرارتی، شبکه حرارتی یک الکتروموتور آسنکرون ترسیم و حل گردیده و با وجود منابع تلفات حرارتی موتور (تلفات مسی و آهنی) توزیع دما در مقاطع مختلف یک موتور الکتریکی بدست امده است.
جهت مقایسه با نتایج تجربی تست ۲ نوع موتور الکتریکی سه فاز با روتور قفس سنجابی پس از بارگذاری در سه وضعیت تمام بار، نیم بار، و بی‌بار ارائه شده است.
دو موتور انتخابی ELECTRO KOVINA (5.5KW), SEVER(7.5KW) بوده و سنسورهای اندازه‌گیری دما در مقاطع مختلف هر موتور مانند هسته استاتور، سیم‌پیچ پیشانی استاتور، داخل هسته روتور، پوسته موتور و … جایگذاری شده‌اند.
تست الکتروموتورها در آزمایشگاه ماشین گروه پژوهشی برق جهاد دانشگاهی علم و صنعت بر روی ست دینامومتر زیمنس با قدرت ۱۱ کیلوولت انجام گرفته است این دینامومتر دارای نشاندهنده دیجیتالی گشتاور و سرعت و خروجی آنالوگ برای رسم مشخصه‌های ماشین توسط ثبت کننده می‌باشد.
مقدمه ماشین های الکتریکی
ماشین های الکتریکی که ساختمان آنها از طیف متنوع و غیر همگن مواد هادی و عایق تشکیل شده است. به این جهت ماشینهای الکتریکی از نقطه نظر انتقال حرارت پیچیده به نظر می رسند.
تحلیل حرارتی در بخشهای مختلف یک ماشین الکتریکی خصوصاً عایقهای آن حائز اهمیت بسیار است، زیرا افزایش درجه حرارت یکی از عوامل محدود کننده طراحی موتور است. مواد عایق و دی الکتریک در اثرحرارت های فزاینده به طور سریعتری رو به اضمحلال می‌گذارند. از سوی دیگر کم نمودن بار الکتریکی و مغناطیسی نیز به جهت اقتصادی مقرون به صرفه نیست. به این جهت تحلیل حرارتی لازمه طراحی بهینه برای یک موتور الکتریکی است.
در این مقاله از سایت دوار ماشین پارس با استفاده از روش های کلاسیک انتقال حرارت و تشابه حرارتی. شبکه حرارتی یک الکتروموتور آسنکرون ترسیم و حل گردیده و با وجود منابع تلفات حرارتی موتور (تلفات مسی و آهنی) توزیع دما در مقاطع مختلف یک موتور الکتریکی بدست آمده است.
در این مقاله ماشینهای کاملاً بسته با تهویه از بدنه مدنظر هستند که فن روی محور خارج سپر قرار دارد و هوا را در طول سطح بدنه ماشین که با پره (FIN) مجهز شده، می‌راند.
روند محاسبات حرارتی
برای یک ماشین کاملاً بسته با تهویه از بدنه، مقدار دبی هوای لازم که توسط فن تأمین می‌گردد. ارتباط مستقیم با میزان تلفات حرارتی دارد. به این ترتیب با مشخص شدن میزان دبی و سرعت هوای عبوری از روی پوسته خارجی فن که به پره‌های خنک کننده مجهز شده است. می‌توان نوع مغشوش یا آرام بودن جریان را مشخص نموده و از مباحث انتقال حرارت جابجائی، ضریب کنوکسیون بدست می‌آید.
سپس با توجه به روابط مربوط به محاسبات حرارتی پره‌های پوسته خارجی، دمای سطح پوسته بدست آمده و با توجه به مسیر شبکه حرارتی استاتور و وجود منابع حرارتی داخلی (تلفات مسی و آهنی استاتور) دمای عایق سیم‌پیچ استاتور محاسبه شده و با مقدار دمای مجاز ذکر شده در کلاس عایقی موتور مورد نظر مقایسه می‌گردد.
بیشترین دمای مجاز عایق سیم پیچ استاتور با توجه به کلاس مورد نظر در استانداردهای مربوطه مشخص گردیده است. محاسبات کامل حرارتی در مرجع (۷) انجام شده است که اینک به اختصار ارائه می‌گردد. دبی هوای فراهم شده توسط ونتیلاتور، تلفات حرارتی پوسته استاتور را جذب کرده و دمای هوا افزایش می‌یابد. مقدار انرژی حرارتی که در هر ثانیه به هوا منتقل می‌گردد برابر است با :
به منظور انتخاب بهینه ابعاد و شکل پره‌ها در روی پوسته خارجی الکتروموتور چند حالت در نظر گرفته شده و برای هر وضعیت محاسبات انتقال حرارت انجام می‌گیرد. با مقایسه مقادیر فوق با یکدیگر، حالتی انتخاب می‌گردد که بیشترین مقدار حرارت را انتقال دهد. در مرجع (۷) محاسبات حرارتی پره‌های پوسته خارجی شرح داده شد. در نرم‌افزار مربوطه نیز نخست ابعاد و تعداد پره‌ها به هر دو فرم مستطیلی و ذوزنقه‌ای انتخاب و محاسبه گردیده و با توجه به راندمان پره‌ها، مقدار حرارت منتقل شده تعیین می‌گردد.
با استفاده از مرجع (۷)
قسمتی از پوسته موتور که با استاتور در تماس است نظیر یک جداره ساده استوانه‌ای عمل می‌کند. چنانچه قطر خارجی پوسته DOSase و قطر داخلی آن برابر قطر خارجی استاتور باشد DOStator (چون استاتور کاملاً به پوسته چسبیده است) مقاومت حرارتی پوسته برابر است با :
برای هسته استاتور، مدل حرارتی یک جداره استوانه‌ای با منبع حرارتی داخلی یکنواخت که همان تلفات آهنی است. فرض می‌شود. هدایت حرارتی در جهت شعاعی هسته استاتور در نظر گرفته می‌شود زیرا قابلیت هدایت حرارتی هسته استاتور در جهت شعاعی بسیار بزرگتر از قابلیت هدایت آن در جهت محوری یا طولی می‌باشد.
رابطه توزیع دما عبارتست از :
qfe تلفات آهن تولید شده در واحد حجم هسته استاتور است.
ros شعاع خارجی استاتور ris شعاع داخلی استاتور در مقطع دوم (انتهای دندانه ها) است.
Ks ضریب هدایت هسته استاتور و Tis دما در جداره داخلی و Tos دما در جداره خارجی استاتور می‌باشد, از طرفی داریم :
تلفات آهنی دندانه + تلفات مسی شیارهای استاتور qi = فلوی حرارتی ورودی در جداره داخلی استاتور
محاسبات حرارتی روتور
اینک ماکزیمم دما در سیم پیچ های استاتور موردنظر است. لازم به ذکر است این دما به وضعیت قرار گرفتن سیم‌پیچها داخل شیار نیز بستگی دارد. چنانچه یک فاصله هوائی کوچک بین سیم‌پیچ و دیوارهای شیار وجود داشته باشد، چون عایق و فاصله هوائی در مسیر جریان حرارتی به صورت سری قرار گرفته‌اند، افزایش جدی در درجه حرارت هادیها ایجاد می‌گردد. نتایج تجربی نیز اهمیت قابل ملاحظه لقی بین پوشش هادیها و شیار را نشان می‌دهد. اگر اجرای عمل سیم‌بندی همراه با یک پر شدگی کافی و کامل در شیارها موجودند به نحوی کم گردند. بالطبع در کاهش درجه حرارت سیم‌پیچ تأثیر خواهد گذاشت.
اینک تأثیر مقاومت حرارتی شکاف هوائی که با مقاومت حرارتی عایق به صورت سری قرار گرفته‌اند بر روی افزایش دمای سیم‌پیچ محاسبه می‌گردد .
محاسبات حرارتی روتور
کل تلفات حرارتی مسی که در شیارهای روتور تولید شده است، از طریق شافت، پره‌های پیشانی روتور، سطح پیشانی و فاصله هوائی دفع می‌گردد. بمنظور محاسبه دمای روتور در مناطق مختلف کلیه معادلات مربوطه استخراج شده و در یک دستگاه حل می‌گردند. نخست معادله مربوط به دمای پیشانی و پره‌های روتور استخراج می‌گردد. معادله دوم به انتقال حرارت در هسته روتور و جداره‌های جانبی آن اختصاص یافته است.
لازم به ذکر است دما در هر نقطه از هسته روتور با توجه به معادله توزیع دما در جداره استوانه‌ای هسته (بدون منبع حرارتی داخلی) قابل محاسبه است. با توجه به اینکه تلفات آهنی روتور تقریباً صفر است، مدل حرارتی برای این قسمت مقاومت حرارتی یک جداره ساده استوانه‌ای در نظر گرفته می‌شود .
معادله بالانس انرژی
معادله بالانس انرژی برای هوای داخل الکتروموتور به صورت ذیل حاصل می‌گردد. میزان حرارت دریافت شده از روتور (تلفات مسی) و میزان حرارت دریافتی از کلاف پیشانی استاتور می‌بایست با میزان انرژی پس داده شده به پوسته موتور (به صورت کنوکسیون داخلی) در تعادل حرارتی باشند. بخشی از تلفات حرارتی روتور نیز از طریق شافت به خارج از الکتروموتور منتقل می‌گردد.
معادله چهارم معادله تعادل حرارتی کل روتور می‌باشد. تلفات حرارتی که در شیارهای آلومینیومی روتور تولید شده می‌بایست با حرارت انتقال یافته از طریق پره‌ها و پیشانی روتور، شافت و فاصله هوائی متعادل گردد , بنابراین خواهیم داشت :
با حل معادلات فوق مقادیر دما در مقاطع مختلف روتور بدست می‌آید.
مشخصات هندسی موتور الکتروکاوینا ۵٫۵ KW :
- قطر داخلی روتور: ۴۸ mm
- قطر خارجی روتور: ۱۲۰ mm
- قطر داخلی استاتور: ۱۲۰٫۸ mm
- قطر خارجی استاتور: ۲۰۰ mm
- طول هسته استاتور: ۱۵۰ mm
- کلاس عایقی: B
- دور سنکرون: ۱۵۰۰ rpm
- جنس هسته روتور و استاتور: ورقه‌های آهنی سیلیس دار
- جنس شافت: فولاد کم کربن
- جنس پوسته و پره‌های قاب موتور: چدن ریخته‌گری
پس از انجام محاسبات حرارتی نتایج بدست آمده عبارتست از :
- * این نقطه سطح داخل هسته استاتور قبل از عایق شیار قرار دارد .
- تذکر: مقادیر تلفات مسی، آهنی و مکانیکی هر وضعیت مشابه با آزمایش مربوطه است .
نتایج آزمایش های انجام شده
در گزارش حاضر نتایج آزمایش ۲ نوع موتور الکتریکی سه فاز با روتور قفس سنجابی پس از بارگذاری در سه وضعیت تمام بار، نیم‌بار و بی‌بار ارائه شده است.
دو موتور انتخابی SEVER (7.5 KW) و ELECTRO KOVONA (5.5 KW) بوده و سنسورهای اندازه‌گیری دما در مقاطع مختلف هر موتور مانند هسته استاتور، روتور، سیم‌پیچ پیشانی استاتور، داخل هسته روتور، پوسته موتور و … جایگذاری شده‌اند. تست انواع الکتروموتور در آزمایشگاه ماشین گروه پژوهشی برق جهاد دانشگاهی علم و صنعت بر روی ست دینامومتر زیمنس با قدرت ۱۱ کیلووات انجام گرفته است این دینامومتر دارای نشاندهنده دیجیتالی گشتاور و سرعت و خروجی آنالوگ برای رسم مشخصه‌های ماشین توسط ثبت کننده می‌باشد.
روند اجرای آزمایشات
پس از اعمال بار به موتور در سه وضعیت تمام بار، نیم‌بار و بی‌بار مقادیر جریان، ولتاژ و توان ورودی اندازه‌گیری شده و نتیجتاً مقادیر تلفات مسی استاتور و روتور، تلفات مکانیکی و آهنی استاتور تعیین می‌گردند. مقدار دما در مقاطع مختلف موتور پس از برقراری وضعیت تعادل حرارتی موتور ثبت گردیده است. مقادیر درجه حرارت در مقاطع هسته استاتور، سیم‌پیچ پیشانی استاتور و هسته روتور با ترموکوپل نوع k، هوای داخل انواع الکتروموتور و محیط آزمایشگاه با سنسور گازی و دمای پوسته خارجی در مقاطع مختلف با سنسور تماسی سطح اندازه‌گیری شده است. پروب ترموکوبل داخل هسته روتور جایگذاری شده است، سپس سیم‌اتصال آن از طول شافت گذشته از موتور خارج شده و همراه با شافت می‌چرخد. به منظور اندازه‌گیری دمای روتور، به محض قطع جریان و متوقف نمودن چرخش روتور، نمایشگر ترموکوپل را به پروب وصل کرده سریعاً دما قرائت می‌گردد . نتایج بدست آمده عبارتند از :
- * عمق این نقطه که داخل هسته قرار گرفته، نسبت به سطح خارجی استاتور ۱۱ mm است و در خط مرکزی عرضی موتور واقع شده است .
- ** عمق این نقطه داخل هسته روتور نسبت به پیشانی ۲۰ mm است .
- * این نقطه داخل هسته قرار گرفته و عمق آن نسبت به سطح خارجی استاتور ۹ mm است و در خط مرکزی عرضی موتور واقع شده است.
- ** عمق این نقطه داخل هسته روتور نسبت به پیشانی ۲۰ mm است.
- ** نقاط اندازه‌گیری مطابق نقاط جدول ۶ـ۱ می‌باشد .
بحث و نتیجه گیری :
مقایسه نتایج تجربی و محاسباتی بدست آمده، مطابقت مطلوبی را نشان می‌دهد. بدیهی است رعایت وجود ضرایب اطمینان در محاسبات اقتضا می‌نماید مقادیر محاسبه شده بیش از نتایج تجربی باشد. به این ترتیب تحلیل حرارتی و مدل‌سازی فوق می‌تواند برای طراحی حرارتی موتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد.
مقایسه مقادیر جدول (۱ـ۱) مربوط به وضعیت تمام بار موتور الکتروکاوینا با جدول (۳ـ۱) نشان می‌دهد که مقدار دمای محاسبه شده برای بیشتر مقاطع حدود ۱۰% بیش از مقادیر تجربی است. اما اختلاف نتایج تجربی و محاسباتی در مورد دمای روتور و دمای هوای داخل روتور بیش از این می‌باشد. اختلاف فوق به این جهت است که در محاسبه دمای روتور، سخت‌ترین شرایط کارکرد موتور در نظر گرفته شده است. همچنان که در بخش روتور اشاره شد در عمل بخشی از فلوی حرارتی از طریق شافت به خارج از الکتروموتور منتقل می‌گردد. چنانچه این انتقال حرارت منظور نگردد ماکزیمم دمای روتور حاص می‌گردد.
برای وضعیت بی‌باری در موتورها همچنان که مقایسه نتایج نشان می‌دهد. دمای محاسبه شده برای روتور کمتر می‌باشد. این امر به جهت آن است که تلفات مسی روتور در حالت بی‌باری معادل صفر فرض شده است, در صورتی که در عمل معادل صفر نمی‌باشد.