METODA HOMOGENIZACJI UZWOJEŃ WSYPYWANYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

Podobne dokumenty
METODA HOMOGENIZACJI UZWOJEŃ STOJANA MASZYN ELEKTRYCZNYCH

ANALIZA CIEPLNA SILNIKA PMSM ZA POMOCĄ METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH ORAZ SCHEMATÓW CIEPLNYCH

ANALIZA DYNAMICZNA STANÓW CIEPLNYCH W SILNIKACH MAŁEJ MOCY

SCHEMAT CIEPLNY SILNIKA INDUKCYJNEGO KLATKOWEGO MAŁEJ MOCY

ANALIZA STANÓW CIEPLNYCH W SILNIKACH MAŁEJ MOCY

MODELOWANIE, ANALIZA I WERYFIKACJA ZJAWISK CIEPLNYCH NA PRZYKŁADZIE 3-FAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

WYZNACZENIE ZASTĘPCZEJ REZYSTANCJI CIEPLNEJ IZOLACJI ŻŁOBKOWEJ - BADANIA I SYMULACJE

ZJAWISKA CIEPLNE W MODELU MASZYNY SYNCHRONICZNEJ Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

MODELOWANIE ROZKŁADU TEMPERATUR W PRZEGRODACH ZEWNĘTRZNYCH WYKONANYCH Z UŻYCIEM LEKKICH KONSTRUKCJI SZKIELETOWYCH

ANALIZA NUMERYCZNA CFD UKŁADÓW CHŁODZENIA MASZYN ELEKTRYCZNYCH - WERYFIKACJA DOŚWIADCZALNA - CZ. II

ANALIZA WYDAJNOŚCI RÓŻNYCH ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH UKŁADU CHŁODZENIA SILNIKA ELEKTRYCZNEGO DO ZABUDOWY W KOLE

Analiza wydajności różnych rozwiązań konstrukcyjnych układu chłodzenia silnika elektrycznego do zabudowy w kole

ZASTOSOWANIE METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH DO WYZNACZANIA PARAMETRÓW ELEKTROMAGNETYCZNYCH SILNIKA PMSM

WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

OBLICZENIA CIEPLNE WIRUJĄCYCH MASZYN ELEKTRYCZNYCH - PROBLEMY MODELOWANIA

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

DWUKIERUNKOWY JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Analiza wymiany ciepła w przekroju rury solarnej Heat Pipe w warunkach ustalonych

OBLICZENIA EFEKTYWNOŚCI CHŁODZENIA SILNIKA ELEKTRYCZNEGO

MODELOWANIE SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O UZWOJENIACH SKUPIONYCH

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

WŁASNOŚCI CIEPLNE PAKIETU BLACH ELEKTROTECHNICZNYCH BADANIA I SYMULACJE

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

WPŁYW OSADZENIA MAGNESU NA PARAMETRY SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

WYZNACZENIE ZALECANEGO MINIMALNEGO NATĘŻENIA PRZEPŁYWU CZYNNIKA CHŁODZĄCEGO DLA UKŁADU CHŁODZENIA SILNIKA ELEKTRYCZNEGO DO ZABUDOWY W KOLE

WYKORZYSTANIE METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH W MODELOWANIU WYMIANY CIEPŁA W PRZEGRODZIE BUDOWLANEJ WYKONANEJ Z PUSTAKÓW STYROPIANOWYCH

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH MASZYN RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH

BADANIE WPŁYWU GRUBOŚCI SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH W OPARCIU O OBLICZENIA POLOWE

Detekcja asymetrii szczeliny powietrznej w generatorze ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, bazująca na analizie częstotliwościowej prądu

ZWARTE PRĘTY ROZRUCHOWE W SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

PORÓWNANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO I JEDNOFAZOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI. BADANIA EKSPERYMENTALNE

Diagnostyka drganiowa trakcyjnych maszyn elektrycznych - przykład asymetrii geometrii promieniowej między stojanem a wirnikiem

TECHNOLOGIA MONTAŻU MAGNESÓW TRWAŁYCH W WIRNIKU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY

Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów

MOśLIWOŚCI METOD 3D FEM I CFD W ANALIZIE SYSTEMÓW CHŁODZENIA MASZYN ELEKTRTYCZNYCH CZĘŚĆ WSTĘPNA

ZNACZENIE ZJAWISK TERMICZNYCH W NIEUSTALONYCH STANACH ELEKTROMECHANICZNYCH SILNIKÓW DWUKLATKOWYCH

Ć w i c z e n i e K 4

ŁAGODNA SYNCHRONIZACJA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY Z PRĘDKOŚCI NADSYNCHRONICZNEJ

BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

WPŁYW WYMIARÓW UZWOJENIA STOJANA NA SIŁĘ CIĄGU SILNIKA TUBOWEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

TRÓJWYMIAROWA ANALIZA POLA MAGNETYCZNEGO W KOMUTATOROWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO

UKŁAD CHŁODZENIA I OBLICZENIA CIEPLNE MASZYNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ZEWNĘTRZNYM WIRNIKIEM

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY PRZY CZĘŚCIOWYM ZASILANIU UZWOJENIA STOJANA

DIGITALIZACJA GEOMETRII WKŁADEK OSTRZOWYCH NA POTRZEBY SYMULACJI MES PROCESU OBRÓBKI SKRAWANIEM

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

ANALIZA PARAMETRÓW LINIOWEGO MOSTKA CIEPLNEGO W WYBRANYM WĘŹLE BUDOWLANYM

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

1. Wprowadzenie: dt q = - λ dx. q = lim F

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Wyznaczanie strat w uzwojeniu bezrdzeniowych maszyn elektrycznych

WPŁYW ROZMIESZCZENIA MAGNESÓW NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPOATACYJNE SILNIKA TYPU LSPMSM

Energooszczędne silniki elektryczne prądu przemiennego

WPŁYW SZYBKOŚCI STYGNIĘCIA NA WŁASNOŚCI TERMOFIZYCZNE STALIWA W STANIE STAŁYM

SYMULACJA TŁOCZENIA ZAKRYWEK KORONKOWYCH SIMULATION OF CROWN CLOSURES FORMING

Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła dla przegrody płaskiej

APLIKACJA NAPISANA W ŚRODOWISKU LABVIEW SŁUŻĄCA DO WYZNACZANIA WSPÓŁCZYNNIKA UZWOJENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ

ANALIZA TERMICZNA OBUDOWY SILNIKA DO ZAKRĘTARKI ELEKTROMECHANICZNEJ

Analiza numeryczna wpływu przewietrzników na efektywność chłodzenia maszyn elektrycznych

SPOSOBY CHŁODZENIA SILNIKÓW LINIOWYCH DO NAPĘDU PRT

Politechnika Poznańska

WERYFIKACJA METOD OBLICZENIOWYCH SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

METODY OGRANICZANIA PULSACJI MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO PRĄDNICY TARCZOWEJ WZBUDZANEJ MAGNESAMI TRWAŁYMI

Bezczujnikowe sterowanie SPMSM

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 80/

OCENA WYBRANYCH PARAMETRÓW ENERGETYCZNYCH MODELOWYCH SILNIKÓW PRĄDU PRZEMIENNEGO MAŁEJ MOCY O RÓŻNYCH KONSTRUKCJACH WIRNIKA

WPŁYW WARUNKÓW BRZEGOWYCH NA FORMĘ ODKSZTAŁCEŃ DRGAŃ WŁASNYCH I WYMUSZONYCH STOJANA SILNIKA BLDC ANALIZA NUMERYCZNA

Wp³yw charakteru obci¹ enia na obci¹ alnoœæ pr¹dow¹ górniczych przewodów oponowych

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

MOMENT I SIŁA ELEKTROMOTORYCZNA W NOWYM SYNCHRONICZNYM SILNIKU TARCZOWYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O WYDATNYCH BIEGUNACH STOJANA

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

OBLICZANIE I POMIAR NAGRZEWANIA TUBOWEGO SILNIKA LINIOWEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

METODA POLOWO-OBWODOWA OBLICZANIA CHARAKTERYSTYK ELEKTROMECHANICZNYCH SYNCHRONICZNYCH SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH

Eksperymentalny dobór układu chłodzenia do bezszczotkowej prądnicy synchronicznej reluktancyjnej

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2017 (114) 39

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 17/18

OBLICZENIA I BADANIA CIEPLNE MASZYNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ZEWNĘTRZNYM WIRNIKIEM

2. Struktura programu MotorSolve. Paweł Witczak, Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych PŁ

Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi

Modelowanie zagadnień cieplnych: analiza porównawcza wyników programów ZSoil i AnsysFluent

TEORETYCZNY MODEL PANEWKI POPRZECZNEGO ŁOśYSKA ŚLIZGOWEGO. CZĘŚĆ 3. WPŁYW ZUśYCIA PANEWKI NA ROZKŁAD CIŚNIENIA I GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO ORAZ SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM - BADANIA EKSPERYMENTALNE

Polowe wyznaczanie parametrów łożyska magnetycznego w przypadku różnych uzwojeń stojana

Modelowanie zjawisk przepływowocieplnych. i wewnętrznie ożebrowanych. Karol Majewski Sławomir Grądziel

ANALIZA PORÓWNAWCZA WYBRANYCH MODELI SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Projekt silnika bezszczotkowego prądu przemiennego. 1. Wstęp. 1.1 Dane wejściowe. 1.2 Obliczenia pomocnicze

IDENTYFIKACJA PARAMETRÓW SYNCHRONICZNYCH MASZYN WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI BAZUJĄCYCH NA METODZIE ODPOWIEDZI W DZIEDZINIE CZASU

MODEL POLOWO-OBWODOWY SILNIKA INDUKCYJNEGO ZE ZWARCIAMI ZWOJOWYMI

NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO PRZEWODU LINII NAPOWIETRZNEJ Z UWZGLĘDNIENIEM ZWISU

ANALIZA WYMIANY CIEPŁA OŻEBROWANEJ PŁYTY GRZEWCZEJ Z OTOCZENIEM

WPŁYW GRADIENTU TEMPERATURY NA WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODZENIA CIEPŁA

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

MAGNETOELEKTRYCZNY SILNIK MAŁEJ MOCY Z KOMPAKTOWYM WIRNIKIEM HYBRYDOWYM I Z ROZRUCHEM SYNCHRONICZNYM

SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA

Materiały edukacyjne dla doradców Na podstawie projektu gotowego z kolekcji Muratora M03a Moje Miejsce. i audytorów energetycznych

Transkrypt:

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2015 (105) 149 Piotr Mynarek, Marcin Kowol Politechnika Opolska, Opole METODA HOMOGENIZACJI UZWOJEŃ WSYPYWANYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH THE HOMOGENIZATION METHOD OF IMPREGNATED WINDINGS WITH RANDOMLY PLACED CONDUCTORS Streszczenie: Nowe zastosowanie silników elektrycznych skutkuje zwiększonymi wymaganiami odnośnie układu chłodzenia. Dlatego też niezmiernie ważna jest dokładna znajomość rozkładu temperatury w poszczególnych częściach maszyny elektrycznej, zwłaszcza w uzwojeniu, w różnych jej stanach pracy. W artykule przedstawiono metodę homogenizacji impregnowanych uzwojeń wsypywanych maszyn elektrycznych. Zaprezentowana metoda wyznaczania zastępczej przewodności cieplnej uzwojeń pozwala na znaczne ograniczenie kosztu obliczeniowego koniecznego do wyznaczenia poprawnego rozkładu temperatury w uzwojeniu oraz określenie maksymalnej temperatury w uzwojeniu. W celu weryfikacji zaprezentowanej metody wyniki symulacji komputerowych zostały zweryfikowane pomiarowo na obiekcie rzeczywistym silnika. Abstract: New application of electric motors results in increased demands on the cooling system. Therefore, it is extremely important to know the exact temperature distribution in different parts of the electrical machine, especially in the winding, in its various operating conditions. The paper describes a method of homogenization windings with randomly placed conductors. The presents method for obtaining an equivalent thermal model of a winding with impregnation resin, in order to simplify the calculation of temperatures in electrical machines. In order to verify the presents method of computer simulation results are verified on a real object measuring motor. Słowa kluczowe: homogenizacja, analiza cieplna, metoda elementów skończonych, silnik synchroniczny z magnesami trwałymi Keywords: homogenization, thermal analysis, finite-element method, permanent magnet synchronous motor 1. Wstęp Jednym z głównych problemów podczas analizy cieplnej maszyn elektrycznych jest modelowanie uzwojeń silnika. Trudność ta wynika z dużej złożoności geometrycznej oraz materiałowej tego właśnie elementu. W przypadku silników małej mocy uzwojenia stojanów są wykonywane w postaci uzwojeń wielowarstwowych wsypywanych. Losowość oraz niejednorodność rozmieszczenia drutów nawojowych, wynikająca z technologii wykonywania uzwojenia i montażu, wprowadza trudność w analizie cieplnej maszyny. Dokładne uwzględnienie w modelu matematycznym tak złożonej struktury, tj. układu składającego się z drutów nawojowych, emalii, impregnatu oraz powietrza jest niezwykle kłopotliwe [1, 2, 5, 6]. W przypadku wykorzystywania metody elementów skończonych, która z założenia wymaga dokładnego odwzorowania geometrii analizowanego obiektu, konieczne jest zastosowanie siatki dyskretyzacyjnej o odpowiednim zagęszczeniu. Skutkuje to wyższym kosztem obliczeniowym potrzebnym do rozwiązania takiego problemu, który często okazuje się nieakceptowalny. Dodatkowo, uwzględnienie w modelu poszczególnych obszarów między drutami wypełnionych impregnatem jest praktycznie niemożliwe. Powszechną metodą rozwiązania tego problemu jest przeprowadzenie homogenizacji uzwojenia. 2. Homogenizacja uzwojeń W literaturze można znaleźć wiele metod pozwalających na wyznaczenie zastępczej przewodności cieplnej λ uz [2, 3, 4, 5]. Jednak brakuje metod pozwalających na wyznaczenie przewodności cieplnej impregnowanych uzwojeń wsypywanych. Najczęściej spotykanym w takich przypadkach podejściem mającym na celu wyznaczenie λ uz, jest wykorzystanie zależności [4]:

150 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2015 (105) λ ( 1 -k) = λcuk λimp (1) uz + gdzie: λ cu przewodność cieplna miedzi, λ imp przewodność cieplna impregnatu / izolacji, k współczynnik wypełnienia żłobka. Wadą tej metody są zbyt duże wartości zastępczej przewodności cieplnej uzwojenia, wynikające z przyjętego założenia, że λ uz jest proporcjonalne do objętości poszczególnych materiałów w takiej strukturze. Rozkład temperatury w maszynie, przy wykorzystaniu powyższej zależności, w ujęciu globalnym jest poprawny, jednak temperatura w samym uzwojeniu jest zaniżona. Dlatego też w pracy zaproponowano metodę homogenizacji impregnowanych uzwojeń wsypywanych w oparciu o proces estymacji wykorzystujący wyniki pomiarów wycinka uzwojenia. Zaletą tej metody jest szybkość i dokładność oszacowania zastępczej przewodności cieplnej uzwojenia charakteryzującego się niejednorodnym rozmieszczeniem drutów nawojowych oraz złożoną strukturą materiałową. W celu wyznaczenia λ uz dla analizowanego silnika, wykonano modele fizyczne dwóch cewek: impregnowanej oraz nieimpregnowanej umieszczonych w wycinku stojana (rys. 1a). W obydwu cewkach wzdłuż wysokości żłobka umieszczono pięć termopar typu K (rys. 2b). Rys. 1. Skonstruowane cewki na potrzeby doświadczenia (a) oraz rozmieszczenie termopar w cewce (b) Na podstawie pomiarów wykonanych na cewce nieimpregnowanej, której przewodność cieplną można wyznaczyć na podstawie modelu numerycznego próbki uzwojenia, możliwe jest wyznaczenie współczynnika oddawania ciepła α dla wycinka rdzenia. Wartość tego współczynnika można przyjąć także dla cewki impregnowanej, przy zachowaniu identycznych warunków pomiarowych dla obydwu cewek. Dzięki tym wielkościom w dalszym etapie badań możliwe jest wyznaczenie przewodności cieplnej uzwojenia impregnowanego. Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy zaproponowanej metody wyznaczania przewodności cieplnej uzwojenia impregnowanego. Rys. 2. Zaproponowana metoda wyznaczania przewodności cieplnej uzwojenia wsypywanego impregnowanego Proces homogenizacji uzwojenia nieimpregnowanego należy rozdzielić na dwa etapy, tj. na homogenizację pojedynczego drutu nawojowego wraz z emalią oraz homogenizację całego uzwojenia. Podejście takie pozwala na uwzględnienie zarówno lakieru izolacyjnego jak również struktury ułożenia przewodów nawojowych w żłobku. W celu wyznaczenia przewodności zastępczej przewodu nawojowego λ dz w pracy zaproponowano, na podstawie badań doświadczalnych, poniższą zależność: λ dz d' δ i = λi 2δ i (2) gdzie: d średnica drutu z izolacją, δ i grubość warstwy izolacji, λ i przewodność cieplna izolacji. W celu sprawdzenia poprawności powyższego stwierdzenia przeprowadzono jego weryfikacje obliczeniową. Zamodelowano pojedynczy drut wraz z warstwą lakieru (d=0,75 mm, d =0,81 mm) umieszczony w powietrzu (rys. 3). Na zewnętrznym brzegu obszaru obliczeniowego zdefiniowano warunek brzegowy pierwszego rodzaju.

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2015 (105) 151 maszyny. Model charakteryzuje się podobnym współczynnikiem wypełnienia jak uzwojenie rzeczywiste, k=51% (rys. 5) [2, 7]. Rys. 3. Model pojedynczego przewodu do obliczania zastępczej przewodności drutu wraz z emalią Dla tak zdefiniowanego modelu pojedynczego przewodu przeprowadzono obliczenia dla następujących przypadków: a) uwzględnienie miedzi i warstwy lakieru (λ 1 =388 W/(mK), λ 2 =0,23 W/(mK), λ 3 =0,025 W/(mK)), b) zdefiniowanie zastępczej przewodności cieplnej dla drutu wraz z lakierem, wyznaczonej na podstawie zależności (2) (λ 1 =λ 2 =λ dz =1,5 W/(mK), λ 3 =0,025 W/(mK)). Na rysunku 4 przedstawiono porównanie otrzymanych rozkładów temperatury dla omawianych dwóch przypadków. C ] [ 30.42 30.41 30.4 30.39 30.38 30.37 30.36 λ Cu =388 W/(mK), λ l =0,23 W/(mK) λ dz =1,5 W/(mK) 30.35 4.5 5 5.5 x [mm] Rys. 4. Rozkład temperatury w przewodzie dla różnych wartości λ (środek przewodu w x=5mm) W procesie homogenizacji uzwojenia należy uwzględnić, jak zostało już wcześniej wspomniane, także losowość ułożenia poszczególnych przewodów w zezwojach. W tym celu zaproponowano wyznaczenie przewodności cieplnej uzwojenia nieimpregnowanego (λ uz_ni ) na podstawie modelu numerycznego próbki uzwojenia. Model ten posiada zbliżoną strukturę do uzwojenia rzeczywistego, a jego wymiary są zbliżone do wymiarów żłobka stojana analizowanej Rys. 5. Model próbki uzwojenia nieimpregnowanego wraz ze definiowanymi warunkami brzegowymi, wykorzystany do wyznaczenia λ uz ni W celu wyznaczenia współczynnika λ uz-ni w oparciu o przedstawiony model próbki, konieczne jest przypisanie odpowiednich warunków brzegowych. Na jednym z boków próbki zdefiniowano strumień ciepła o gęstości q x, natomiast na przeciwległym boku próbki określono warunek trzeciego rodzaju o zadanym współczynniku oddawania ciepła α oraz temperaturze otoczenia o. W celu zapewnienia przepływu ciepła tylko w jednym kierunku, pozostałe boki próbki są izolowane cieplnie (q=0). Obliczając temperaturę boków próbki 1 oraz 2 (boki prostopadłe do kierunku przewodzenia strumienia ciepła) oraz znając wymiar l (wymiar próbki w kierunku przewodzenia strumienia ciepła) możliwe jest wyznaczenie, w oparciu o prawo Fouriera, współczynnika λ uz-ni-x. Dla analizowanego przypadku równanie wynikające z prawa Fouriera przyjmuje postać: q x 1 = λ 2 uz ni x (3) l Po przekształceniu zależności (4.8) λ uz-ni-x wynosi: q λ = x l uz ni x (4) 1 2 Dla tak zdefiniowanej próbki uzwojenia nieimpregnowanego w wyniku przeprowadzonych obliczeń dla osi OX jak również OY wyznaczono zastępczą przewodność cieplną, która wynosiła λ uz-ni-x =0,1 W/(mK) dla obydwu osi.

152 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2015 (105) Znając straty mocy występujące w cewce, jak również jej przewodność cieplną (λ uz-ni ), oszacowano doświadczalnie współczynnik oddawania ciepła α dla wycinka rdzenia (rys. 6). Rys. 6. Wyznaczone wartości współczynnika W analizowanym układzie pomiarowym dla zewnętrznej powierzchni rdzenia estymowany współczynnik α wynosi α 1 =10 W/(m 2 K), natomiast dla pozostałych powierzchni α 2 =6 W/(m 2 K). Wyznaczone wartości, z racji zapewnienia identycznych warunków pomiarowych dla obydwu cewek, wykorzystano także dla modelu numerycznego cewki impregnowanej. W wyniku przeprowadzonego procesu estymacji w oparciu o model numeryczny oraz wyniki pomiarów, wyznaczono wartość współczynnika przewodności cieplnej uzwojenia impregnowanego, który wynosi λ uz-i = 0,18 W/(mK). Na rys. 7 przedstawiono rozkład temperatury wzdłuż wysokości żłobka uzyskany z modelu numerycznego, który porównano z wynikami pomiarów. Można zauważyć, że uzyskano stosunkowo dużą dokładność obliczeń maksymalnej temperatury w uzwojeniu, a błąd pomiędzy obliczeniami i pomiarem nie przekracza 0,2 C. Występujące różnice w pozostałych punktach pomiarowych wynikają przede wszystkim z nierównomiernego rozłożenia przewodów nawojowych w żłobku oraz z trudności technicznych związanych z jednoznacznym i równomiernym rozmieszczeniem termopar wzdłuż wysokości żłobka. C ] [ 45 44 43 42 41 40 39 Obliczenia Pomiar 38 0 5 10 15 h [mm] Rys. 7. Rozkład temperatury wzdłuż wysokości żłobka silnika (cewka impregnowana) 3. Obliczenia cieplne silnika synchronicznego z magnesami trwałymi W kolejnym etapie badań przeprowadzono analizę polową rozkładu pola temperaturowego w stanie ustalonym w silniku synchronicznym z magnesami trwałymi (PMSM). Podczas budowy modelu polowego analizowanego silnika zastosowano warunki symetrii, ograniczając w ten sposób obszar obliczeniowy do 1/8 powierzchni przekroju poprzecznego całej maszyny. W zbudowanym modelu przyjęto następujące założenia upraszczające: maszyna jest symetryczna, pominięto straty mechaniczne, współczynnik oddawania ciepła został uśredniony względem całej powierzchni obudowy maszyny. Dodatkowo w modelu przyjęta wartość współczynnika oddawania ciepła została skorygowana o współczynnik odpowiadający powierzchni oddawania ciepła oraz opór cieplny obudowy, co pozwoliło na pominięcie obudowy silnika. Wykorzystując opracowany model, przeprowadzono symulacje komputerowe dla różnych stanów pracy silnika PMSM. Na rysunku 8 przedstawiono rozkład pola temperaturowego w silniku pracującego w warunkach znamionowych (T l =8,7N m, n=2200 obr/min). Jako miarę błędów otrzymanych z obliczeń wartości temperatury w stanie ustalonym przyjęto błąd δ 1 : ob δ 1= 1 100% (5) p gdzie: ob temperatura otrzymana z obliczeń, p temperatura otrzymana z pomiarów. W tabeli 1 zestawiono porównanie wyników symulacji komputerowych, przeprowadzonych w oparciu o opracowany model polowy z wynikami pomiarów przeprowadzonych na obiekcie rzeczywistym badanej maszyny. Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że wykazują one dużą zgodność z pomiarami. Występujące błędy δ 1 pomiędzy obliczeniami a pomiarami nie przekraczają 2,4%. Zaletą modelu polowego jest możliwość wyznaczenia rozkładu pola temperatury w całym przekroju poprzecznym analizowanego silnika PMSM. Najważniejszą informacją z punktu widzenia obciążalności, jak i czasu życia maszyny, jest dokładna znajomość maksymalnej wartości temperatury w uzwojeniu.

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2015 (105) 153 Rys. 9. Żłobek silnika PMSM: a) wymiary żłobka, b) model uzwojenia homogenizowanego 50 45 C ] [ 40 35 T l =0,46 [N m] T l =7 [N m] T l =8,7 [N m] Rys. 8. Rozkład temperatury w silniku PMSM (T l =8,7N m, n=2200 obr/min) Tab. 1. Zestawienie wartości temperatury w stanie ustalonym (MES) T l =8,7 N m, n=2200 obr/min Uzwojenie w żłobku Wirnik Obudowa Symulacja s MES [ C] 46,4 46,5 38,7 Pomiar p [ C] 45,6 47,1 37,8 δ 1 [%] 1,8 1,3 2,4 W przypadku uzwojeń wsypywanych, pomimo tego że są one impregnowane, różnica temperatury pomiędzy środkiem a skrajem uzwojenia może dochodzić do kilku stopni Celsjusza. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wyznaczono rozkład temperatury w żłobku wzdłuż jego wysokości (rys. 9b linia przerywana A- A ), dla trzech różnych wartości momentu obciążenia (rys. 9a). 30 25 0(A) 2 4 6 8 10 12 14 16 18(A ) h [mm] Rys. 10. Rozkład temperatury w żłobku wzdłuż pionowej linii A-A (rys.9) Na rysunku 9 można zaobserwować, że maksymalna wartość temperatury występuje w środku uzwojenia (ok. h=9mm). W przypadku warunków znamionowych różnica temperatury pomiędzy środkiem żłobka a jego skrajem (ok. h=16mm), a więc w punkcie w którym dokonywano pomiarów, wynosi 2 C. 4. Podsumowanie W pracy zaprezentowano metodę homogenizacji uzwojenia wsypywanego. Złożona struktura tego elementów sprawia, że wyznaczenie zastępczej przewodności cieplnej jest dla nich bardzo kłopotliwe. Natomiast niepoprawne wyznaczanie tej wielkości skutkuje błędnymi wynikami obliczeń cieplnych. Dzięki zaproponowanemu podejściu możliwe jest dokładne wyznaczenie maksymalnej wartości temperatury w uzwojeniu, co ma decydujący wpływ na obciążalność i żywotność maszyn elektrycznych. Przedstawiony sposób postępowania po-

154 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2015 (105) zwala na wyznaczenie przewodności cieplnej dla całej gamy uzwojeń. Natomiast zaprezentowane wyniki badań są poprawne dla uzwojeń charakteryzujących się podobnym współczynnikiem wypełnienia. 5. Literatura [1]. Boglietti A., Cavagnino A., Staton D., Shanel M., Mueller M., Mejuto C.: Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of Electrical Machines, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 3, March 2009, pp.871-882. [2]. Idoughi L., Mininger X., Bouillault F., Bernard L., Hoang E.: Thermal Model with Winding Homogenization and FIT Discretization for Stator Slot, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 47, no. 12, December 2011, pp. 4822-4826. [3]. Lefik M.,: Obliczenia cieplne silników indukcyjnych małej mocy metodami polowymi, Rozprawa doktorska, Łódź, 2011. [4]. Nategh S., Wallmark, O., Leksell M., Zhao S.: Thermal Analysis of a PMaSRM Using Partial FEA and Lumped Parameter Modeling, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 27, No. 2, June 2012, pp. 477-488. [5]. Wrobel R., Mellor P. H., Holliday D.: Thermal Modeling of a Segmented Stator Winding Design, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 47, No. 5 pp. 2023-2030. [6]. Wrobel R., Mellor P. H., McNeill N., Staton D.A.: Thermal Performance of an Open-Slot Modular-Wound Machine with External Rotor. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 25, No. 2, 2010, pp. 403-411. [7]. Wrobel R., Mellor P. H.: Thermal Design of High-Energy-Density Wound Components. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 9, September 2011, pp. 4096-4104. Autorzy mgr inż. Piotr Mynarek dr inż. Marcin Kowol Politechnika Opolska Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej Adres: ul. Prószkowska 76 (budynek 1), 45-758 Opole e-mail: p.mynarek@po.opole.pl, m.kowol@po.opole.pl