공기의 결합을 통한 유도전동기의 열관리 해석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10125(2023) 이 기사 인용

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전기 기계의 올바른 열 관리 전략은 운영 비용과 작동 기간으로 인해 매우 중요합니다. 본 논문에서는 더 나은 내구성을 보장하고 효율성을 높이기 위해 유도 전동기의 열 관리 요소 전략을 개발했습니다. 또한 전기 기계의 냉각 방법에 관한 문헌에 대한 광범위한 검토가 수행되었습니다. 주요 결과로 잘 알려진 열분배 문제를 고려한 공냉식 대용량 유도 전동기의 열해석이 제시되었다. 또한, 이 연구는 시대에 필요한 두 가지 이상의 냉각 전략을 갖춘 통합 접근 방식도 제시합니다. 100kW 공랭식 유도 전동기 모델과 동일한 모터의 개선된 열 관리 모델이 모두 수치적으로 조사되었으며, 공냉식과 통합 수냉식 시스템을 결합하여 모터 효율을 크게 향상시켰습니다. 공냉식 및 수냉식 시스템으로 구성된 통합 시스템은 SolidWorks 2017 및 ANSYS Fluent 버전 2021을 사용하여 조사되었습니다. 5 LPM, 10 LPM 및 15 LPM의 세 가지 다른 유속을 분석하고 기존 공냉식 유도 모터와 비교합니다. 사용 가능한 게시된 리소스로 검증되었습니다. 수행된 분석에 따르면 각각 5LPM, 10LPM 및 15LPM의 다양한 유량에 대해 2.94%, 4.79% 및 7.69%의 온도 감소를 얻었습니다. 따라서 통합형 유도전동기는 공냉식 유도전동기에 비해 온도를 낮추는데 효율적이라는 결과가 나왔다.

전기 모터는 현대 공학 과학의 주요 발명품 중 하나입니다. 전기모터는 자동차, 항공우주 등 가전제품부터 교통수단까지 다양한 분야에서 사용됩니다. 유도 전동기(IM)는 높은 시동 토크, 우수한 속도 제어 및 적절한 과부하 성능으로 인해 최근 몇 년간 인기가 높아졌습니다(그림 1). 유도 모터는 전구를 빛나게 할 뿐만 아니라 칫솔에서 Tesla 자동차에 이르기까지 매일 집에 있는 대부분의 장치에 전원을 공급합니다. 고정자와 회전자 권선의 자기장이 접촉하여 IM에서 기계적 전력이 생성됩니다. 더욱이 희토류 금속은 공급이 제한되어 있기 때문에 IM이 실행 가능한 선택입니다. 그러나 IM의 가장 큰 단점은 수명과 효율성이 온도에 매우 민감하다는 것입니다. 유도 모터는 세계 전체 전기의 약 40%를 소비하므로 이러한 기계의 에너지 관리가 매우 중요하다는 사실을 생각하게 됩니다.

유도 전동기의 특징 목록입니다.

Arrhenius 방정식에 따르면 작동 온도가 10°C 증가할 때마다 전체 모터의 수명이 절반으로 줄어듭니다. 따라서 신뢰성을 보장하고 기계 성능을 향상시키기 위해서는 IM의 열 관리에 중점을 둘 필요가 있습니다. 과거에는 열 분석이 충분히 주목을 받지 못했고 모터 개발자는 설계 전문 지식이나 권선 전류 밀도 등과 같은 기타 크기 변수를 기반으로 주변적으로만 이를 해결했습니다. 이러한 방법은 최악의 발열을 처리하기 위해 큰 안전 계수를 적용하게 됩니다. 이로 인해 기계의 크기가 커지고 결과적으로 비용이 증가하는 상황이 발생합니다.

열해석은 분석적 집중 회로와 수치적 접근이라는 두 가지 유형으로 분류됩니다. 분석적 접근 방식의 주요 이점은 빠르고 정확하게 계산할 수 있다는 것입니다. 그러나 열 경로를 모방할 만큼 정확한 회로를 정의하려면 많은 작업이 필요합니다. 반면, 수치적 접근 방식은 크게 전산유체역학(CFD)과 구조 열 해석(STA)으로 분류되며 둘 다 유한요소해석(FEA)을 사용합니다. 수치 분석은 장치 형상을 시뮬레이션할 수 있다는 이점이 있습니다. 그러나 시스템 설정 및 전산 작업과 관련하여 때로는 어려울 수 있습니다. 아래에 논의된 과학 논문은 다양한 최신 유도 모터의 열 및 전자기 분석에 대한 선택된 예입니다. 이 논문은 저자가 유도 기계의 열 현상과 냉각 방법에 대한 연구를 수행하도록 영감을 주었습니다.