autoreferát

FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ
AUTOREFERÁT
disertační práce
PLZEŇ, 2011
Ing. Roman Pechánek
Ing. Roman Pechánek
Ventilační a tepelná analýza
trakčního asynchronního motoru
obor
Elektrotechnika
Autoreferát disertační práce k získání
akademického titulu "Doktor"
V Plzni, 2011
Disertační práce byla vypracována v prezenčním doktorském studiu na katedře
Elektromechaniky a výkonové elektroniky fakulty Elektrotechnické ZČU v Plzni.
Uchazeč:
Ing. Roman Pechánek
Fakulta Elektortechnická
Katedra Elektromechaniky a výkonové elektroniky
Univerzitní 26, 306 14, Plzeň
Školitel:
doc. Ing. Josef Červený, CSc
Katedra Elektromechaniky a výkonové elektroniky
Univerzitní 26, 306 14, Plzeň
Oponenti:
doc. Dr. Ing. Hana Kuchyňková;
VUT Brno, FEKT
Ing. Vladimír Trojovský, CSc;
BRUSH SEM s.r.o
Autoreferát byl rozeslán dne:
Obhajoba disertační práce se koná dne:
před komisí v oboru elektrotechnika na FEL ZČU v Plzni, Univerzitní 26, 306 14, Plzeň, v
místnosti
v
hodin.
S disertační prací je možno se seznámit na děkanátě FEL ZČU v Plzni.
prof. Ing. Václav Kůs, CSc
předseda Oborové rady FEL ZČU
Prohlašuji, že jsem předloženou disertační práci vypracoval samostatně a uvedl jsem
všechny literární prameny a publikace, ze kterých jsem čerpal. Výsledky uvedené v disertační
práci jsou původní.
Roman Pechánek
V Plzni,
Anotace:
Práce se zabývá problematikou chlazení asynchronního trakčního motoru. Shrnuje
současné poznatky z oboru chlazení elektrických strojů. Dále je uvedena nezbytná teorie z
oborů hydromechaniky (aeromechaniky) a termomechaniky. Teoretická část se zabývá jak
podklady k modelování oteplení pomocí náhradních ventilačně-tepelných sítí, tak v současné
době stále častěji používanými numerickými metodami.
Součástí práce je kompletní ventilační a tepelná analýza konkrétního asynchronního
trakčního motoru. Součástí práce je i analýza vlivu změn konstrukčního uspořádání motoru na
výsledné oteplení.
Klíčová slova:
Asynchronní motor, ventilační výpočet, náhradní ventilační síť, CFD / CFX, tepelný
výpočet, náhradní tepelná síť, MKP, oteplení, teplota
Annotation:
This thesis deals with cooling of traction induction motor. The thesis summarizes
current knowledge in the field of cooling of electric machines. The thesis presents necessary
theory from the fields of hydromechanics and thermodynamics. The theoretical part deals
with bases of modeling temperature rise by using alternative ventilation-thermal networks,
and now increasingly used by numerical methods.
Part of the work is complete ventilation and thermal analysis of a particular induction
traction motor. The work and analysis of the impact of changes in the design of the machine
on the temperature rise results.
Keywords:
Induction motor, ventilation calculation, alternative ventilation network, CFD / CFX,
thermal calculations, spare thermal network, MKP, warming, temperature
Obsah
1
ÚVOD ........................................................................................................................................................... 1
1.1
CÍLE PRÁCE ............................................................................................................................................ 2
1.2
ROZDĚLENÍ PRÁCE.................................................................................................................................. 3
2
PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU......................................................................................................... 4
3
ANALYZOVANÝ TRAKČNÍ ASYNCHRONNÍ MOTOR .................................................................... 5
4
3.1
HLAVNÍ PARAMETRY TRAKČNÍHO ASYNCHRONNÍHO MOTORU ............................................................... 5
3.2
ZTRÁTY MOTORU ................................................................................................................................... 6
VENTILAČNÍ MODEL TRAKČNÍHO MOTORU ................................................................................ 7
4.1
VENTILAČNÍ MODEL MOTORU SESTAVENÝ POMOCÍ SOUSTŘEDĚNÝCH PARAMETRŮ................................ 8
4.2
ANALÝZA PROUDĚNÍ CHLADÍCÍHO VZDUCHU POMOCÍ CFX .................................................................. 10
4.2.1
5
6
Proudění ve vzduchové mezeře...................................................................................................... 12
TEPELNÝ MODEL TRAKČNÍHO ASYNCHRONNÍHO MOTORU ................................................ 14
5.1
TEPELNÝ MODEL TRAKČNÍHO ASYNCHRONNÍHO MOTORU ZALOŽENÝ NA NÁHRADNÍ TEPELNÉ SÍTI ...... 14
5.2
TEPELNÁ ANALÝZA MOTORU METODOU KONEČNÝCH PRVKŮ ............................................................... 18
5.3
VLIV ZMĚN VSTUPNÍCH PARAMETRŮ NA CELKOVÉ OTEPLENÍ TRAKČNÍHO MOTORU ............................. 21
ZÁVĚR ....................................................................................................................................................... 22
LITERATURA .................................................................................................................................................... 25
SEZNAM PUBLIKOVANÝCH PRACÍ ........................................................................................................... 29
1 Úvod
Při vývoji elektrických strojů obecně a indukčních motorů zejména jsou teplotní limity
klíčovým faktorem, který ovlivňuje účinnost celkového návrhu. Výpočet oteplení jeho
jednotlivých částí při různých provozních stavech je proto tedy nedílnou součástí návrhu. Jeho
účelem je zjištění, zda při provozu stroje nestoupne teplota některé z jeho částí nad dovolenou
hodnotu, což by znamenalo ohrožení dobré funkce stroje, znehodnocení konstrukčních
materiálů. Zvláště citlivým místem elektrických strojů je izolace elektrických částí, která při
překonání dovolené teploty rychle stárne a zkracuje tak život celého stroje. Toto stárnutí lze
vyjádřit kombinací Montisingerova pravidla a Arrheniusiho vztahem. Pro představu lze uvést, že
již při nárůstu teploty o 10K nad dovolenou hodnotu klesá životnost izolace na polovinu [1].
Zvýšená provozní teplota působí nepříznivě i na ostatní části stroje; mazání ložisek, teplotní
roztažnost tyčí v rotoru. U vodičů vzrůstá s teplotou jejich ohmický odpor a tím stoupají
Jouleovy ztráty. Při teplotách nad 200°C dochází k výraznějšímu zhoršování mechanických
vlastností konstrukčních materiálů. U magnetického obvodu nedochází sice k podstatnému
zhoršování magnetických vlastností s teplotou, avšak maximální teplota je rovněž omezena
s ohledem na styk s izolací vinutí a odolností izolace plechů.
Obecně je tepelný výpočet elektrického stroje velmi složitou záležitostí. Po geometrické
stránce je stroj dosti složitý a jeho objem je vyplněn nehomogenním, případně anizotropním
prostředím. Teplo ve stroji vzniká v objemu aktivních částí, jeho množství je závislé na
provozním stavu stroje a také na teplotě zdroje. Odvádění tepla je závislé na způsobu a rychlosti
proudění chladícího prostředí. Ztráty a odvod tepla mohou být složitou funkcí času.
Uvedené skutečnosti kladou značné překážky obecnému a exaktnímu řešení úlohy.
Jestliže chceme tento úkol prakticky zvládnout, musíme přistoupit ke značnému zjednodušení
úlohy, což je ovšem na úkor přesnosti výpočtu. Avšak i při značném zjednodušení geometrické
konfigurace úlohy, časové závislosti ztrát a chladících podmínek, se setkáváme se značnými
obtížemi.
Z tohoto důvodu je vhodné k získání komplexní představy o teplotních poměrech ve
stroji využít sdružených matematických modelů. Matematický model teplotních poměrů při
různých provozních stavech motoru se v současné době stává neodmyslitelnou součástí
1
samotného návrhu. Především se jedná o matematický model tepelně ventilačních dějů
probíhajících ve stroji, který by s dostatečnou přesností simuloval skutečný stav.
1.1
Cíle práce
Cílem disertační práce je sdružená tepelně ventilační analýza trakčního asynchronního
motoru. Práce je zaměřena na vytvoření tepelně ventilačního modelu daného stroje.
Ventilační matematický model stroje je sestaven pomocí metody soustředěných
parametrů. Tepelný matematický model stroje vychází z analytických metod založených na
ekvivalentních odporových sítích, využívajících tepelně elektrické analogie. Sdružený tepelný
matematický model je sestavován jako parametrický a lze jej proto využít k optimalizaci návrhu
a simulaci oteplení. Model motoru vytvořený v této práci slouží i pro srovnávací tepelné analýzy
při různých provozních stavech stroje. Tato práce je také zaměřena na stanovení mezních
teplotních stavů motoru. Dále je v práci provedeno ověření ventilačního modelu pomocí metody
konečných diferencí CFD. Matematický model sestavený na základě náhradní tepelné sítě je
konfrontován s výsledky oteplovací analýzy metodou konečných prvků a měřením.
Základní cíle disertační práce v oblasti ventilačně tepelné analýzy trakčního
asynchronního motoru jsou shrnuty v následujících bodech.
•
Seznámit se s danou problematikou a definovat problematické oblasti při teplotních
analýzách asynchronních strojů.
•
Sestavit ventilační matematický model stroje pomocí metody soustředěných
parametrů.
•
Vytvořit model založený na CFD k vyšetření proudění chladícího vzduchu motorem.
Definovat problematické oblasti.
•
Sestavit sdružený ventilačně tepelný matematický model stroje, založený na
ekvivalentních odporových sítích využívajících tepelně elektrické analogie.
•
Vytvořit tepelný model trakčního asynchronního motoru pomocí metody konečných
prvků k vyšetření teplotního pole.
•
Využít tepelný model stroje k určení mezních provozních stavů.
•
Provést modifikace konstrukčního provedení s ohledem na výslednou teplotu stroje a
stanovit tak možné konstrukční úpravy.
2
1.2
Rozdělení práce
Předkládaná disertační práce je rozdělena na osm hlavních kapitol. Kapitola 1 je obecný
úvod do problematiky modelování chlazení elektrických strojů. Dále jsou v této kapitole
představeny cíle disertační práce.
V kapitole 2 je rešeršní formou provedeno zhodnocení současného stavu modelování
oteplení elektrických strojů. V této kapitole je také provedeno definování problematických
oblastí při tepelných analýzách elektrických strojů.
Kapitola 3 se zabývá poznatky z oblastí hydromechaniky (aeromechaniky). V této
kapitole je představen detailnější pohled na modelování ventilačních výpočtů asynchronních
strojů. Jedná se o základní vztahy popisující proudění kapalin a plynů, hydraulické odpory,
ventilační sítě, představení základních prvků těchto sítí a jejich matematické vyjádření.
V kapitole 4 jsou zpracovány podklady z oblasti termomechaniky a je zde podrobně
popsáno modelování teplotních analýz. V této kapitole jsou popsány základní druhy sdílení
tepla, okrajové podmínky teplotních analýz, prvky teplotních sítí atd.
V následující kapitole 5 je popsán analyzovaný trakční asynchronní motor, jsou zde
představeny hlavní parametry daného motoru.
V kapitole 6 je popsán postup podrobného ventilačního výpočtu trakčního asynchronního
motoru a dále metodika tvorby modelů k vyšetření ustálených stavů vzduchem chlazeného
trakčního asynchronního motoru. Je zde prezentován postup sestavení náhradní hydraulické sítě
i tvorba výpočtového modelu určeného k numerickému řešení pomocí CFX.
Následující kapitola 7 je věnována tepelné analýze trakčního asynchronního motoru
pomocí metody ventilačně tepelné sítě a metody konečných prvků. V práci je důkladně popsán
postup a předpoklady zahrnuté do výpočtu při sestavování tepelně ventilačního modelu. Je
definováno rozšíření na 3D tepelnou síť s uvažováním podélného vedení tepla v různých
konstrukčních částech motoru.
V poslední osmé kapitole jsou shrnuty a zhodnoceny výsledky jednotlivých analýz a
představeny závěry vyplývající z výsledků analýz.
3
2 Přehled současného stavu
Chlazení a ventilace elektrických strojů je v současnosti samostatná disciplína stavby a
konstrukce
elektrických
strojů,
která
používá
speciální
analytické,
numerické
a
experimentální metody. Její složitost je dána skutečností, že elektrický stroj představuje
kompromis mezi různými často protichůdnými požadavky, výkon / rozměry. V současnosti se
pro výpočet chlazení a ventilace elektrického stroje využívá především poznatků dvou
základních vědních oborů: hydromechaniky (aeromechaniky) a termomechaniky, které
umožňují rozpracovávat efektivní metody hydraulických a tepelných výpočtů. Tepelný a
ventilační výpočet stroje se dnes stal nedílnou součástí celkového konstrukčního návrhu
stroje, neboť podstatně ovlivňuje dimenzování jak aktivních, tak i konstrukčních částí. Na
základě požadavků zákazníka je dnes třeba získat komplexní přehled o chlazení stroje za
různých podmínek již v etapě elektromagnetického návrhu stroje. Chlazení se tak stále více
stává jednou z částí návrhu elektrického stroje, která může značně ovlivnit efektivnost jeho
využití [2], [3].
Pojem chlazení elektrických strojů obecně zahrnuje metody používané v elektrických
strojích k odvodu ztrátového tepla z míst jeho vzniku do okolí nebo u uzavřených systémů
chladiva pomocí výměníku z jednoho ventilačního okruhu do druhého, kterým se poté
ztrátové teplo odvádí ven ze stroje [3].
Obr. 3.1 Trakční asynchronní motor
Obr. 3.2 Model trakčního asynchronního motoru
4
3 Analyzovaný trakční asynchronní motor
Komplexní tepelně ventilační analýze byl v práci podroben trakční asynchronní motor
Obr. 3.1. Statorové vinutí motoru je zapojeno do dvojité hvězdy. Jmenovitý výkon motoru je
1600 kW. Motor pracuje se jmenovitými otáčkami 1825 ot·min-1. S ohledem na chlazení se
jedná o otevřený stroj s axiálním směrem ventilace. Chladící vzduch je do motoru přiváděn z
cizího ventilátoru. Izolační třída vinutí je H / 200. Motor je napájen z měniče.
3.1
Hlavní parametry trakčního asynchronního motoru
V této kapitole jsou prezentovány jmenovité parametry analyzovaného trakčního
asynchronního motoru.
Jmenovitý výkon:
Napětí:
Proud:
Jmenovité otáčky:
Nejvyšší otáčky:
Izolační třída:
IP/IC
Hmotnost:
Chlazení:
1600 kW
1130 V
2x518 A
1825 ot·min-1
3700 ot·min-1
H/200
20/17
2480 kg
vzduchové cizí 0,66 m3s-1 / 1,45 m3s-1
Tab. 3 - 1 Parametry motoru
Stator
Rotor
Vnější průměr
De [m]
0,78
0,496
Vnitřní průměr
Di [m]
0,5
0,19
Počet drážek
Qs
72
62
Počet ventilačních kanálů
nvk
72
30
0,455
0,455
Délka paketu
L [m]
Pro tepelnou analýzu motoru je vedle rozměrových parametrů, a parametrů uvedených
výše, nezbytné znát i velikosti ztrát ve stroji vznikajících a jejich přesnou lokaci.
5
3.2
Ztráty motoru
Joulovy ztráty ve vinutí statoru i rotoru závisí na procházejícím proudu I, a to přímo
úměrně jeho druhé mocnině. Dají se určit vztahem
∆ = ∙ ∙ (3. 1)
kde m je počet fází, R je činný odpor vinutí při 150°C, I je napájecí proud.
Ztráty v magnetickém obvodu jsou stanoveny na základě vztahu
∆
= ∆, ∙ ∙ ∙ ∙ 50
(3. 2)
kde ∆, jsou měrné ztráty v železe, je frekvence, je činitel uvažující vliv
nerovnoměrností toku v částech magnetického obvodu a vliv technologie výroby statorového
svazku, je magnetická indukce v příslušné části magnetického obvodu, je hmotnost
příslušné části magnetického obvodu.
Přídavné ztráty lze rozdělit na ztráty povrchové a ztráty pulzační
∆ = ∙ − ! ∙ " ∙ # (3. 3)
kde je hustota povrchových ztrát, tj. ztráty vztažené na 1 m2 povrchu hlav zubů statoru
nebo rotoru. Člen je drážková rozteč, ! je otevření drážky, " je počet drážek statoru
nebo rotoru, # je aktivní délka železa.
Obdobně jsou stanoveny pulzační ztráty v zubech statoru a rotoru
∆$%&
" ∙ )
≈ 0,11 ∙ ∙ ∙ 1000 (3. 4)
kde " je počet drážek statoru nebo rotoru, n jsou otáčky, je amplituda pulzací ve středním
průřezu zubu statoru nebo rotoru, je hmotnost zubů statoru nebo rotoru.
Z měření byly dále identifikovány ztráty dodatečné a mechanické. Ve výpočtu jsou
ztráty dodatečné charakterizovány, jako ztráty vznikají v kleci nakrátko. Ztráty mechanické
jsou uvažovány jako mechanické ztráty v ložiskách [35].
6
Tab. 3 - 2 Ztráty motoru
Ztráty statoru
Cu - drážka
[W]
Cu - čela
[W]
Fe - jho
Ztráty rotoru
10096,45 Cu - tyče
[W]
8988,18
9601,45 Cu - kruhy
[W]
4929,89
[W]
5593,49 Fe - jho
[W]
12,50
Fe - zuby
[W]
3693,65 Fe - zuby
[W]
19,84
povrchové
[W]
2038,34 povrchové
[W]
5636,06
pulzační
[W]
1528,19 pulzační
[W]
17104,71
přídavné (klec) [W]
642,6
mechanické
[W]
1333,26
4 Ventilační model trakčního motoru
V této kapitole práce je popsán postup podrobného ventilačního výpočtu trakčního
asynchronního motoru. Je zde popsána metodika tvorby modelů k vyšetření provozních stavů
vzduchem chlazeného trakčního motoru (Obr. 3.1).
Systém ventilace stroje je otevřený s cizím ventilátorem. Jmenovitá průtočná množství
chladícího vzduchu strojem jsou Q = 0,66 m3s-1 a Q = 1,45 m3s-1. Stroj má na statoru
umístěno 72 axiálních ventilačních kanálů o průměru 26 mm. Na rotoru jsou umístěny dvě
řady axiálních ventilačních kanálů. Každá řada obsahuje 15 kanálů o průměru 27 mm.
Obr. 4.1 Příčný řez modelem motoru s
Obr. 4.2 Náhradní ventilační síť motoru
vyznačením jednotlivých čtvrtin
7
4.1
Ventilační model motoru sestavený pomocí soustředěných
parametrů
Z výsledků CFX analýzy (Obr. 4.7) je patrné nerovnoměrné rozdělení chladícího
vzduchu po obvodu stroje. Z tohoto důvodu byla v práci sestavena trojrozměrná náhradní
ventilační síť. Stroj byl rozdělen na čtvrtiny, tím vznikla náhradní ventilační síť
reprezentovaná dvanácti větvemi Obr. 4.2.
Chladící vzduch do stroje vstupuje otvorem umístěným v horní části předního štítu
(Obr. 3.2). V prostoru vymezeném předním ložiskovým štítem a horním okrajem čel
statorového vinutí se chladící vzduch rozděluje na část, která prochází větví 1 a na toky jdoucí
větvemi 5 a 8.
Větve 1 - 4 lze dále popsat podřazenou hydraulickou sítí (Obr. 4.3). Chladící vzduch
ve větvi 1 (2, 3, 4) se v prostoru vymezeném předním ložiskovým štítem a horním okrajem
čel statorového vinutí rozděluje na část, která prochází statorovými ventilačními kanály a na
část procházející rotorovými ventilačními kanály. Statorová část chladícího vzduchu se po
průchodu ventilačními kanály statoru dostává do prostoru nad čely vinutí na výstupní straně
vzduchu. Dále pak po opětovném spojení s chladícím vzduchem z rotorových ventilačních
kanálů vystupuje z větve 1 (2, 3, 4). Chladící vzduch jdoucí rotorovými ventilačními kanály
musí nejprve na vstupní straně vzduchu
projít prostorem mezi čely statorového
vinutí a předním štítem. V tomto místě
je
uvažováno
rozdělení
chladícího
vzduchu na část jdoucí vzduchovou
mezerou a tok pokračující dále do
rotoru.
Tok
rotorových
vzduchu
jdoucí
do
ventilačních
kanálů
se
následně ohýbá pod kruh rotorového
vinutí. Dále se pak rozděluje do dvou
řad ventilačních kanálů v rotorovém
paketu.
Po
průchodu
rotorovými
Obr. 4.3 Podřazená hydraulická síť reprezentující větve
1-4
ventilačními kanály se vzduch
8
dostane do prostoru rotorových a statorových čel na výstupní straně. Zde tok vzduchu projde
čely a kolem čel statorového vinutí a následně se spojí s chladícím vzduchem ze statoru.
Větve sítě 5 -12 představují průchod chladícího vzduchu po obvodu stroje v prostoru
vymezeným statorovým paketem, čely vinutí statoru a ložiskovými štíty.
Výsledkem výpočtové simulace je celkový tlakový spád motoru pro dvě průtočná
množství chladícího vzduchu Q = 0,66 m, ∙ s 57 a Q = 1,45 m, ∙ s 57. Dále je to rozložení
chladícího vzduchu po obvodu stroje do jednotlivých čtvrtin. Pro jednotlivé čtvrtiny jsou
v práci zobrazeny výsledky průtoků jednotlivými ventilačními kanály a vzduchovou mezerou.
Následně jsou v práci prezentovány střední rychlosti proudění v jednotlivých částech stroje a
dílčí hydraulické odpory.
Rozdělení chladícího vzduchu po obvodu stroje je znázorněno na Obr. 4.4. Dle
předpokladu nejvíce vzduchu prochází horní čtvrtinou (1. čtvrtina) a nejméně chladícího
vzduchu prochází spodní čtvrtinou. Čtvrtinami 2 a 3 prochází zhruba stejné množství
chladiva.
m,
" = 0,166
s
m,
" = 0,166
s
" = 0,3632
m,
" = 0,166
s
" = 0,164
m,
s
m,
" = 0,363
s
m,
s
m,
" = 0,363
s
" = 0,3608
a)
m,
s
b)
Obr. 4.4 Výsledky ventilační analýzy motoru. Rozdělení chladiva do jednotlivých čtvrtin
a) Q = 0,66 23 ∙ 4 56
b) Q = 1,45 23 ∙ 4 56
Tlakový úbytek vzniklý ve stroji je pro Q = 1,45m, ∙ s 57 roven ∆87,9: = 1042,5Pa.
Pro Q = 0,66m, ∙ s 57 vychází ∆8,>> = 215,25Pa. Na základě vztahů uváděných v práci
v kapitole 3 lze stanovit celkový hydraulický odpor stroje K = 487,2N ∙ s ∙ m@ .
9
4.2
Analýza proudění chladícího vzduchu pomocí CFX
Trakční asynchronní motor je analyzován v programovém prostředí ANSYS
Workbench. V prostředí Workbernch je pro analýzu proudění chladícího vzduchu motorem
použit výpočtový blok Fluid Flow CFX. Analýza je provedena na 3D modelu Obr 6.5.
V modelu šedé šipky označují místa vstupu chladícího vzduchu do motoru. Modré šipky
označují výstup vzduchu ze stroje.
Výpočtový model je vytvořen jako sestava jednotlivých konstrukčních dílů trakčního
asynchronního motoru v programovém prostředí SolidWorks. Hotový model stroje byl
importován do programového prostředí ANSYS WorkBench, kde byl vytvořen doplněk k již
existujícím objemům. Zvoleným postupem byl získán výpočtový model chladícího vzduchu
uvnitř stroje.
Obr. 4.5 Výpočtový model proudění chladícího
Obr. 6.6 Diskretizovaný výpočtový model
vzduchu trakčním motorem
chladiva uvnitř motoru
Diskretizace modelu je provedena standardními typy elementů z nabídky programu
ANSYS CFX. Volba typu elementů je podřízena typu cíle analýzy. Při této výpočtové
simulaci je s ohledem na velikost modelu vybrána síť typu CFD.
Po načtení modelu a vytvoření konečněprvkové sítě bylo nezbytné nadefinování typu
analýzy. Typ analýzy byl nastaven na Steady State tedy ustálený stav. Za hlavní výpočetní
doménu byla zvolena proudící tekutinu, kterou je vzduch o teplotě 26°C. Model turbulence
byl vybrán K-epsilon. V této části analýzy bylo řešeno pouze proudění chladícího vzduchu
10
motorem, proto byl daný problém považován za adiabatický, tedy bez výměny tepla.
Definovat lze různé problematiky z proudění, které můžeme podrobněji najít v [36].
Následně je provedeno definování jednotlivých rozhraní; vstup, výstup, drsnost
povrchů. Pro vstup a výstup jsou již předdefinována rozhraní Inlet a Outlet. Na vstupu bylo
zadáno průtočné množství chladícího vzduchu přepočítané na [kg·s-1]. Výstup byl
nadefinován pomocí funkce Opening a byl dodefinován pouze relativní statický tlak.
Ostatním plochám je nastavena okrajová podmínka typu Wall, a to s příslušnou drsností,
popřípadě rychlostí rotace.
Z výsledků ventilačního výpočtu motoru pomocí metody CFX. Jsou v práci nejprve
představeny proudnice ve stroji pro obě průtočná množství. Z těchto výsledků je patrné
nerovnoměrné rozložení chladiva po obvodu stroje, na jehož základě byla sestavena 3D
náhradní ventilační síť. Dále je představeno rozložení tlaků v podélném směru stroje. V práci
je dále představen detailnější pohled na rozložení rychlostí průtočných množství ve
statorových a rotorových kanálech. Další kapitola práce se věnuje problematice proudění
chladícího vzduchu vzduchovou mezerou. Na závěr je provedeno porovnání obou metod a
diskuze získaných výsledků.
a)
b)
Obr. 4.7 Výsledné proudnice chladícího vzduchu
a) Q = 0,66 23 ∙ 4 56
b) Q = 1,45 23 ∙ 4 56
11
b)
a)
Obr. 4.8 Zobrazení rozložení tlaku v podélném řezu
ezu motoru
a) Q = 0,66 23 ∙ 4 56
b) Q = 1,45 23 ∙ 4 56
Ze zobrazených výsledků lze snadno stanovit tlakový úbytek vznikající při
p průchodu
chladiva strojem. Odečtením
čtením střední
stř
hodnoty tlaku na vstupní straněě chladiva do motoru a na
výstupní straně.
4.2.1 Proudění
ění ve vzduchové meze
mezeře
V této kapitole práce jsou prezentovány výsledky analýzy proudění
proudě chladiva ve
vzduchové mezeře. Výpočet
čet proudění
p
vzduchovou mezerou je důležitý
ůležitý pro tepelný výpočet
výpo
stroje, neboť tvoříí podklad pro výpočet
výpo et tepelného odporu vzduchové mezery, který tepelně
tepeln
spojuje stator a rotor stroje. Výpočtový
Výpo tový model byl sestaven ve tvaru mezikruží s uvažováním
drážkování na straněě statoru i rotoru. Rotorovému povrchu byla dále nadefinována rychlost
rotace. Chladivo mezi válci rotuje tak, že jeho tangenciální složka rychlosti narůstá
nar
z klidu
(povrch statoru) až k obvodové rychlosti povrchu rotoru.
rotoru
12
b)
a)
Obr. 4.10
.10 Výsledné proudnice chladiva ve vzduchové mezeře
mezeř
a) Q = 0,66 23 ∙ 4 56
b) Q = 1,45 23 ∙ 4 56
Na základě výše uvedených
uvedených analýz byly v práci sestaveny grafy. Grafy znázorňují
znázor
závislosti střední
ední rychlosti proudění
proud
ve vzduchové mezeřee v závislosti na axiální vzdálenosti
od vstupu chladiva do vzduchové mezery. Rychlosti proudění
proud ní byly vyhodnocovány při
p
povrchu rotoru, ve středu
edu vzduchové mezery a při
p povrchu statoru.
vstup
výstup
Obr. 4.20 Průběh střední
řední rychlosti proudění
proud
ve vzduchové mezeře pro průtok
ůtok chladiva Q = 0,66 23 ∙ 4 56
13
vstup
výstup
Obr. 4.21 Průběh střední rychlosti proudění ve vzduchové mezeře pro průtok chladiva Q = 1,45 23 ∙ 4 56
Výsledky získané z výpočtového modelu vzduchové mezery plně odpovídají teorii.
Nejvyšší rychlost proudění má chladivo při povrchu rotoru, je však třeba poznamenat, že tato
rychlost je dána vysokou tangenciální složkou vektoru rychlosti proudění. Vyšší rychlost
proudění u povrchu rotoru má za následek zvýšení součinitele přestupu tepla oproti povrchu
statoru.
5 Tepelný model trakčního asynchronního motoru
V této kapitole práce je popsán postup podrobné tepelné analýzy trakčního motoru. Je
zde uvedena metodika tvorby modelů k vyšetření přechodových a ustálených stavů vzduchem
chlazeného trakčního asynchronního motoru (Obr. 3.1 a Obr. 3.2).
5.1
Tepelný model trakčního asynchronního motoru založený na
náhradní tepelné síti
Tepelná síť stroje je sestavená pro polovinu drážkové rozteče statoru Obr. 5.1. Na tuto
výseč je také nezbytné přepočítat veškeré vstupní parametry. Přepočet na výseč má za
následek určité zjednodušení výpočtu a snížení počtu uzlů. Takto vytvořená sít je orotována
po devadesáti stupních dle osy rotace stroje. Sestavení tepelné sítě pro polovinu drážkové
rozteče je dáno symetrií řešeného problému v blízkém okolí. Rotování podél osy rotace
14
koresponduje s nerovnoměrným rozdělením chladícího vzduchu a navazuje tak na
třírozměrnou ventilační síť.
Obr. 5.1 Zjednodušená tepelná síť trakčního asynchronního motoru
V axiálním směru lze paketovou část stroje rozdělit obecně na n úseků. V modelu je
uvažováno n = 10, toto rozdělení má za následek podrobnější popsání tepelných poměrů v
paketové části stroje v axiálním směru.
Tepelnou síť, lze pro sestavování a algoritmizaci výpočtu chápat jako sestavu
elementů, kde každý element je definován rozměry vyplývajícími z konstrukce motoru. Dále
střední teplotou (v uzlu daného elementu), ekvivalentními tepelnými vodivostmi v
jednotlivých směrech, tepelnou kapacitou elementu, popřípadě ztrátami v elementu
vznikajícími. V práci sestavená náhradní tepelná síť motoru má celkem 800 elementů (uzlů).
Umístění jednotlivých uzlů tepelné sítě ve stroji je znázorněno na Obr. 5.1. Při jejich
rozložení je brán ohled na ty části motoru, jejichž oteplení je pro simulaci nejdůležitější. Mezi
tyto části patří především statorové vinutí a tyče vinutí v rotoru. Červené uzly náhradní
15
tepelné sítě představují konstrukční
části
stroje,
reprezentují
modré
oteplení
uzly
sítě
chladiva
ve
stroji.
Výpočet
tepelných
jednotlivých
odporů
tepelné
sítě
představuje složitý proces, při kterém
je
třeba
částečné
vytvořit
zjednodušení. Tato zjednodušení jsou
pomocí
všeobecných
pravidel
o
elektrických
upravena
na
platných
zjednodušování
obvodů
spojena
výslednou
a
náhradní
tepelnou síť.
Mezi uzly charakterizujícími
statorové a rotorové vinutí, hřídel,
plášť a štíty je uvažován podélný
směr
vedení
předpokladu
tepla.
je
Za
tohoto
nezbytné
upravit
tepelné odpory vedením mezi těmito
uzly dle kapitoly práce 4.5. Ostatní
Obr. 5.2 Blokové schéma programu
tepelné odpory vedení tepla jsou
definovány na základě vztahů definovaných v kapitole 4.1. Na základě vzájemného
odizolování statorových respektive rotorových plechů je možné zanedbat podélné vedení tepla
v těchto částech stroje.
Ztráty vznikající ve stroji jsou přepočítány na polovinu drážkové rozteče statoru.
Jouleovy ztráty ve vinutí statoru a rotoru jsou uváděny pro teplotu vinutí 150 °C. Ve výpočtu
jsou přepočítávány na aktuální teplotu dle vztahů uvedených v kapitole 4.6. Stanovení teplot v
ustáleném stavu poskytuje informaci o hodnotách ustálených teplot. Tyto hodnoty jsou dále
16
porovnány s výsledky oteplovací charakteristiky. Na základě těchto hodnot bylo provedeno
naladění výpočetního modelu.
K vyšetření tepelných konstant jednotlivých částí motoru je potřeba provést
přechodovou tepelnou analýzu. Pomocí této analýzy je možné získat informace o časových
intervalech teplot. Pomocí přechodové tepelné analýzy lze také získat informace o tom, jak
dlouho je možné motor provozovat v přetíženém stavu, aniž by došlo k dosažení limitních
hodnot oteplení jednotlivých částí stroje.
Pro potřeby simulace přechodových stavů je náhradní tepelná síť doplněna o tepelné
kapacity jednotlivých elementů, respektive částí stroje.
Výpočtový model je sestaven v programovacím prostředí Matlab. Kompletní
simulační program sestává z 16-ti "m-filů". Časový krok při simulaci přechodových dějů je
volen 60 s, doba výpočtu je stanovena pro obě průtočná množství chladiva na 12 hodin, kdy
po dobu 8 hodin je motor zatěžován ve jmenovitém stavu a následně odpojen.
Postup výpočtu oteplení otevřeného asynchronního stroje odpovídá blokovému
schématu programu Obr 5.2.
Výsledky tepelné analýzy pomocí metody náhradní tepelné sítě jsou ustálená oteplení
jednotlivých částí stroje, výpočet oteplovací a ochlazovací charakteristiky stroje, stanovení
rozdílu teplot částí motoru v jednotlivých čtvrtinách po obvodu motoru.
Nejprve jsou v práci uvedeny výsledky ustálených teplot částí stroje. Tyto výsledky
byly porovnány s hodnotami ustálených teplot získaných z oteplovací charakteristiky stroje.
Měření teplotních charakteristik bylo provedeno pomocí odporových teplotních čidel.
Výsledkem měření oteplovacích charakteristik motoru jsou pouze ustálené teploty částí stroje.
Výsledkem měření je střední teplota vinutí, teploty ložiskových štítů a teplota vzduchu na
výstupu z motoru.
17
250
ΔT [°C]
vin. statoru
200
tyče rotoru
jho statoru
150
jho rotoru
plášť
100
hřídel
štít vstupní st.
50
ložisko vstupní st.
štít výstupní st.
0
ložisko výstupní st.
1
101
201
301
401
501
601
701
t [min]
Obr. 5.3 Průběh oteplování a ochlazování jednotlivých částí motoru Q = 0,66 23 ∙ 4 56
140
ΔT [°C]
vin. statoru
120
tyce rotoru
100
jho statoru
jho rotoru
80
plášť
60
hřídel
štít vstupní st.
40
ložisko vstupní st.
20
štít výstupní st.
ložisko výstupní st.
0
1
101
201
301
401
501
601
701
t [min]
Obr. 5.4 Průběh oteplování a ochlazování jednotlivých částí motoru Q = 1,45 23 ∙ 4 56
5.2
Tepelná analýza motoru metodou konečných prvků
Metoda konečných prvků patří mezi novější možnosti tepelných analýz. V současné
době se dostává do popředí metod využívaných k tepelným analýzám, o tomto faktu svědčí
řada publikací věnujících se danému problému. Při aplikování MKP se ale stále potýkáme s
určitým zjednodušením analyzované oblasti, proto je třeba získané výsledky dále porovnat s
18
měřením nebo analytickými výsledky. Samotnou kapitolou při tepelných analýzách pomocí
MKP je stanovení okrajových podmínek.
Mezi hlavní výhody MKP patří možnost řešení 2D a 3D problémů, zjednodušené
zadávání vstupních parametrů, mezi které patří zatížení modelu, okrajové podmínky,
materiálové vlastnosti. Další výhodou je poměrně jednoduchá příprava modelu, většinou lze
konvertovat jako vstupní soubor model z běžně dostupných CAD softwarů.
3D Model trakčního asynchronního motoru byl vytvořen na základě výkresové
dokumentace. Model motoru byl vytvořen jako sestava jednotlivých konstrukčních dílů v
programovém prostředí SolidWorks.
Při tvorbě modelu byly určité části modelovaného stroje zjednodušeny. Zjednodušení
se týkalo především malých zaoblených součástek motoru (šrouby, svorkovnice, ložiska,
atd.). Tato zjednodušení nemají velký vliv na simulované fyzikální pole, ale značně
komplikují diskretizaci modelu. V krajním případě by pak příliš složitý model znamenal
nemožnost vytvoření diskrétního matematického modelu. K tomu však dochází zcela
výjimečně. Mnohem častěji dochází pouze k navýšení počtu elementů sítě, tedy ke zvýšení
výpočetní náročnosti.
Trakční asynchronní motor byl analyzován metodou konečných prvků v programovém
prostředí ANSYS Workbench. V prostředí Workbench byl pro tepelnou analýzu použit
výpočtový blok Steady-State Thermal. Steady-state Thermal je v programovém prostředí
ANSYS označení pro statickou analýzu. Na tento druh analýzy přímo navazuje Transient
Thermal. Pro tento druh analýzy bylo třeba dodefinovat měrné tepelné kapacity a měrné
hustoty jednotlivých materiálů.
Diskretizace modelu byla provedena standardními typy elementů z nabídky programu
ANSYS. Volba typu elementů je podřízena typu analýzy. Při této simulaci byla s ohledem na
velikost modelu vybrána síť typu Mechanical. Mapovaná síť byla použita na vytvoření sítě
vinutí statoru a vinutí rotoru.
Při aplikaci okrajových podmínek bylo postupováno dle [16], byla snaha o co největší
provázanost jednotlivých výpočetních modelů.
Při analýze bylo uvažováno se šířením tepla vedením v tuhých látkách (konstrukce
stroje) i v objemu tvořícím vnitřní vzduch ve stroji.
19
Obr. 5.5 Teplotní pole motoru v ustáleném stavu,
Q = 0,662 ∙ 4
3
Obr. 5.6 Teplotní pole motoru v ustáleném
stavu Q = 1,4523 ∙ 4 56
56
Výsledky tepelných analýz trakčního motoru metodou konečných prvků jsou jak
přechodový stav (oteplovací charakteristika motoru), tak konečné ustálené teploty.
Prezentované výsledky jsou pro obě průtočná množství chladiva. Výsledné teploty jsou při
teplotě okolí To = 26,8 °C. Tato teplota odpovídá teplotě okolí při měření oteplovací
charakteristiky stroje.
Na Obr. 57 a Obr. 5.8 je zobrazeno porovnání vypočtené oteplovací charakteristiky
středních teplot vinutí statoru stroje pomocí metody náhradní tepelné sítě a MKP.
ΔT [°C]
ΔT [°C]
200
140
180
120
160
140
100
120
80
100
60
80
60
40
40
20
20
měření
měření
tep. síť
MKP
Obr. 5.7 Porovnání oteplovacích
tep. síť
111
101
91
81
71
61
51
t [min]
181
41
121
31
61
21
1
1
11
0
0
MKP
Obr. 5.8 Porovnání oteplovacích
3 -1
charakteristik motoru, Q = 1,45 m3s-1
charakteristik motoru, Q = 0,66 m s
20
t [min]
5.3
Vliv změn vstupních parametrů na celkové oteplení trakčního
motoru
V této kapitole je proveden rozbor vlivu vstupních parametrů na výsledné oteplení a
teploty konstrukčních částí stroje. V práci byl analyzován vliv změny průtočného množství
chladiva na výsledné oteplení vinutí statoru a vinutí rotoru. Průtočné množství bylo měněno
v rozsahu od Q = 0,6 m3s-1 do Q = 1,45 m3s-1.
ΔT [°C]
ΔT [°C]
160
1. čtvrtina
2. čtvrtina
140
120
3. čtvrtina
4. čtvrtina
100
250
1. čtvrtina
2. čtvrtina
3. čtvrtina
4. čtvrtina
200
150
80
100
60
40
50
20
0
0
1,45 1,4 1,2
1
0,8 0,66 0,6
3 -1
1,45 1,4 1,2
Q [m s ]
1
0,8 0,66 0,6
Q [m3s-1]
Obr. 5.9 Vliv průtočného množství chladiva
Obr. 5.10 Vliv průtočného množství chladiva
na výsledné oteplení statorového vinutí
na výsledné oteplení tyčí v rotoru
Následně je analyzována změna počtu ventilačních kanálů na statoru. Při analýze byl
počet statorových ventilačních kanálů zmenšován z počtu 72 na 30. Cílem analýzy bylo zjistit
vliv počtu ventilačních kanálů na výsledné oteplení jednotlivých částí motoru.
ΔT [°C]
vin.
ΔT [°C]
200
150
100
statoru
120
vin.
statoru
tyče
rotoru
100
tyče
rotoru
jho
statoru
80
jho
statoru
jho
rotoru
50
60
jho
rotoru
40
hřídel
hřídel
20
0
72 70 65 60 55 50 45 40 35 30
počet ventilačních kanálů
ložisko
vstup
ložisko
výstup
ložisko
vstup
0
72 70 65 60 55 50 45 40 35 30
počet ventilačních kanálů
ložisko
výstup
Obr. 5.11 Změna výsledných hodnot oteplení
Obr. 5.12 Změna výsledných hodnot oteplení
jednotlivých částí motoru v závislosti na změně počtu
jednotlivých částí motoru v závislosti na změně počtu
3 -1
ventilačních kanálů statoru, Q = 1,45 m3s-1
ventilačních kanálů statoru, Q = 0,66 m s
21
6 Závěr
Předkládaná disertační práce je zaměřena na ventilačně tepelnou analýzu trakčního
asynchronního motoru. Trakční motor má cizí ventilaci a je chlazen vzduchem. Kompletní
teplotní analýza motoru je provedena pomocí v současné době používaných výpočetních
metod. Tyto metody jsou porovnány a výsledky vyhodnoceny.
Úvod práce je zaměřen na vytvoření přehledu současného stavu problematiky
tepelných analýz elektrických strojů. Přehled je vytvořen dle aplikovaných metod od použití
metody tepelné sítě, metody konečných prvků až po metody konečných diferencí. Na základě
závěrů uvedených v jednotlivých literárních zdrojích jsou provedena zhodnocení jednotlivých
metod a diskuse vhodnosti použití jednotlivých metod pro tepelné analýzy.
Z dostupné literatury vyplývá, že při modelování oteplení elektrických strojů pomocí
MKP se stále setkáváme s určitými obtížemi a značnými nepřesnostmi. Tyto nepřesnosti jsou
do výpočtů zanášeny v podobě okrajových podmínek. Neznáme totiž s dostatečnou přesností
některé důležité konstanty figurující ve výpočtu. Jsou to především koeficienty přestupu tepla
na chlazených plochách, dále jsou to tepelné vodivosti použitých konstrukčních materiálů.
Z těchto důvodů se v současné době začíná provádět modelování oteplení elektrických strojů
pomocí CFD /CFX viz [16], [17] a [18]. Při těchto výpočtech lze uvažovat i proudění
chladícího média, tedy lze numericky dopočítat a stanovit součinitele přestupu tepla na
chlazených plochách.
Práce je zaměřena na ventilačně tepelnou analýzu trakčního asynchronního motoru.
Jedním z cílů práce je sestavit komplexní tepelně ventilační model trakčního asynchronního
motoru pomocí metody náhradní teplené sítě. Získané výsledky porovnat a ověřit s měřením.
Z tohoto důvodu jsou dvě kapitoly práce věnovány teoretickým podkladům nezbytným k
pochopení dané problematiky. Jedná se o základní vztahy z oblastí: hydromechaniky
(aeromechaniky) a termomechaniky. Je zde představen detailnější pohled na modelování
ventilačních výpočtů asynchronních strojů. Jedná se o základní vztahy popisující proudění
kapalin, hydraulické odpory, ventilační sítě, představení základních prvků těchto sítí a jejich
matematické vyjádření.
Následně je pozornost věnována podkladům tepelných analýz. V této kapitole jsou
definována základní pravidla tepelné analýzy pomocí způsobů šíření tepla. Vzhledem ke
skutečnosti, že elektrický stroj představuje složitý komplexní systém, jsou v práci popsány
22
základní aspekty použití metody tepelné sítě a hledání řešení pomocí aplikace Kirchhoffových
zákonů.
Následuje představení analyzovaného trakčního asynchronního motoru. V této
kapitole jsou shrnuty základní vlastnosti a parametry daného motoru. Jsou zde uvedeny
vztahy a velikosti jednotlivých ztrát vznikajících v motoru při jmenovitém zatížení. Velikosti
ztrát slouží jako vstupní data při analýze trakčního motoru metodou náhradní tepelné sítě a
jako zatížení při analýze metodou konečných prvků.
V kapitole 6 je popsán postup podrobného ventilačního výpočtu asynchronního
trakčního motoru. Je zde představena metodika tvorby modelů k vyšetření ustálených stavů i
přechodových dějů vzduchem chlazeného trakčního asynchronního motoru. Je zde
prezentován postup sestavení náhradní ventilační sítě včetně uvedení vztahů k určení dílčích
hydraulických odporů proudění. Na základě rozměrové dokumentace motoru byl také
vytvořen 3D výpočtový model určený k numerickému řešení pomocí CFX. Pomocí metody
CFX je v práci vyšetřeno proudění chladiva v jednotlivých částech motoru. Samostatná
kapitola je věnována proudění chladiva ve vzduchové mezeře motoru. Na základě hodnot z
CFX a parametrů proudění chladiva byl modifikován vztah pro výpočet střední rychlosti
proudění ve vzduchové mezeře. V závěru kapitoly jsou představeny výsledky získané z
jednotlivých ventilačních modelů motoru. Výsledky jednotlivých metod jsou vzájemně
porovnány.
Práce
pokračuje kapitolou
věnovanou
podrobné tepelné analýze
trakčního
asynchronního motoru pomocí metody tepelné sítě a metody konečných prvků. Získané
výsledky jsou porovnány s měřením. V práci je důkladně popsán postup a předpoklady
zahrnuté do výpočtu při sestavování tepelně ventilačního modelu. Je definováno rozšíření na
3D tepelnou síť s uvažováním podélného vedení tepla v různých konstrukčních částech
motoru. V matematickém modelu motoru je uvažováno s vlivem teploty na změnu parametrů
tepelné sítě. Proto je při tvorbě modelu uvažována tepelná úprava ztrát vznikajících ve vinutí
stroje. Po zahrnutí všech tepelných vlivů je pomocí simulačního modelu získána oteplovací a
ochlazovací charakteristika motoru. Tepelný model byl sestaven v programovém prostředí
Matlab. Získané výsledky jsou ověřeny s výsledky oteplovacích zkoušek motoru. Na základě
porovnání výsledků byla provedena úprava parametrů tepelného modelu motoru tak, aby co
nejvíce odpovídal skutečnosti. Pomocí sestaveného modelu je provedena analýza tepelného
23
přetěžování motoru změnou průtočného chladiva strojem. Dále je v práci zkoumán vliv počtu
statorových ventilačních kanálů na výsledné oteplení částí motoru, přičemž jsou definovány
mezní provozní podmínky stroje.
Při použití MKP je na základě výkresové dokumentace sestaven částečně
zjednodušený 3D model. V práci je popsáno zatěžování a definování okrajových podmínek
výpočtového modelu v programovém prostředí ANSYS. Výsledkem simulace jsou průběhy
oteplovacích a ochlazovacích charakteristik. Dále je provedeno porovnání těchto
charakteristik s charakteristikami z matematického modelu vytvořeném na základě náhradní
tepelné sítě. Ustálená hodnota oteplení je porovnána s měřením.
Závěrem lze říci, že byly splněny všechny cíle disertační práce. Hlavní přínos práce
pro vědu a možná oblast dalšího studia lze v bodech shrnout následovně.
Hlavní přínos práce pro vědu a možná oblast dalšího studia
•
V práci bylo provedeno zhodnocení současného stavu tepelných analýz elektrických
strojů.
•
Byly definovány problematické oblasti při tepelných analýzách asynchronních strojů.
•
Byl sestaven ventilační matematický model trakčního asynchronního motoru pomocí
metody soustředěných parametrů.
•
Byl vytvořen model založený na CFD k vyšetření proudění chladiva motorem. Dále byl
tento model využit k vyšetření proudění chladiva ve vzduchové mezeře stroje.
•
Byl sestaven sdružený tepelně ventilační matematický model stroje, založený na
ekvivalentních odporových sítích, využívajících tepelně elektrické analogie. Tepelně
ventilační model lze použít k získání hodnověrné tepelné provozní charakteristiky při
různých pracovních podmínkách.
•
Tepelný model motoru byl využit ke zjištění mezních provozních stavů motoru a byly
provedeny modifikace konstrukčního provedení s ohledem na výslednou teplotu stroje, na
jejichž základě lze provést možné konstrukční úpravy.
•
Byl vytvořen tepelný model trakčního asynchronního motoru pomocí metody konečných
prvků k vyšetření teplotního pole.
V budoucnu by bylo vhodné řešit propojení ventilačně tepelného modelu s
elektromagnetickým a mechanickým modelem stroje. Bylo by tak možné sledovat vliv
zatížení motoru na výsledné oteplení motoru.
24
Literatura
[1] ARKKIO, A.; S-17_3050_lecture_1.ppt, Special Courses on Electromechanics,
noppa.tkk.fi, 2010.
[2] ONDRUŠKA, E., MALOUŠEK, A.: Ventilace a chlazení elektrických strojů točivých.
Praha, SNTL, 1985.
[3] VLACH, R.: Chlazení elektrických strojů. Ústav mechaniky těles, mechatroniky a
biomechaniky, Fakulta strojního inženýrství, VUT Brno, 2004. ISBN 80-214-2848-1.
[4] MELLOR, P. H.; ROBERTS, D.R.; TURNER, D.R: Lumped Parameter Thermal
Model for Electrical Machines of TEFC Design, V zborníku konferencie IEEE
Procedings B, Vol.-138, No. 5, Sept. 1991
[5] BELICOVÁ, E.; Tepelná anlýza elektrického stroja s permanentnými magnetmi
vytvárajúcimi axiálne pole, Dizertačná práca, ŽU v Žiline, EF, KVES, 2006.
[6] BOGLIETI, A.; CAVAGNINO, A.; LAZZARI, M.; PASTORELLI, M.; "A simplified
thermal model for variable-speed self-cooled industrial induction motor," Industry
Applications, IEEE Transactions on , vol.39, no.4, pp. 945- 952, July-Aug. 2003 doi:
10.1109/TIA.2 003. 814555
[7] JOKINEN, T.; SAARI, J.; Modelling of the coolant flow with heat flow controlled
temperature sources in thermal networks [in induction motors], Electric Power
Applications, IEE Proceedings - , vol.144, no.5, pp.338-342, Sep 1997doi: 10.1049/
ip-epa: 19971384
[8] LEE, Y.; HAHN, S.; KAUH, S. K.: Thermal Analysis of Induction Motor with Forced
Cooling Channels, V časopise IEEE Transactions on Magnetic, Vol. 36, No. 4, 2000.
s. 1398 – 1402.
[9] KRAL, C.; HAUMER, A.; BAUML, T.;Thermal Model and Behavior of a TotallyEnclosed-Water-Cooled Squirrel-Cage Induction Machine for Traction Applications,
Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.55, no.10, pp.3555-3565, Oct. 2008
doi: 10.1109/TIE.2008.927242
[10] JANDA, M.; Teplotní optimalizace částí elektrických strojů, Doktorská práce, VUT
Brno, FEKT, 2008.
[11] INCROPERA, F. P; DEWITT, D. P.: Fundamental of Heat and Mass Transfer, USA,
2002
[12] GARG, V. K.; RAYMOND, J.: Mageto – Thermal Coupled Analysis of Canned
Induction Motor, V časopise IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 5, No. 1,
Marec 1989
[13] LEE, Y.; LEE, H.; HAHN, S.: Temperature Analysis of Induction Motor with
Distributed Heat Sources by Finite Element Method, V časopise IEEE Transaction on
Magnetics, Vol. 33, No. 2, 1997, s. 1718 – 1721
[14] CHAN, C.C.; LIETON, Y.; PIZHANG, Ch.; ZEZHONG, W.;CHAU, K. T.: Analysis
of Electromagnetic and Thermal Fields for Induction Motors during Starting, V
časopise IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 9, No. 1, 1994, s. 53 – 60
[15] BASTOS, J.P.; CABREIRA, M.F.R.R; SADOWSKI, N.; ARRUDA, S.R.: A Thermal
analysis of Induction Motors Using a Weak coupled Modelling, IEEE Transaction on
Magnetics, Vol. 33, No. 2, March 1997, p. 1714 – 1717
[16] KOLONDZOVSKI, Z.; Thermal And Mechanical Analyses Of High-Speed
Permanent-Magnet Electrical Machines, Doctoral Dissertation, TKK Disertation 233,
Espoo 2010.
[17] STATON, D.; PICKERING, S. J.; LAMPARD, D.; Recent advancement in the
thermal design of electric motors, in Proc. SMMA Fall Tech. Conf., [cit. 26. 8. 2011],
dostupný: http://www.motor-design.com/downloads/Motor-CAD_SMMA_2001.pdf
[18] SIKORA, M.; VLACH, R.; The Water Cooling Of Synchronous Generator Using
CFD, Vybrané problémy elektrických strojů a pohonů 2009. Brno : Vysoké učení
technické v Brně, 2009
[19] NOSKIEVIČ, J.; a kol.; Mechanika tekutin, SNTL - Nakladatelství technické
literatury, Praha 1987
[20] ŠOB, F.; Hydromechanika, VUT Brno, FSI, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o.
Brno, 2001
[21] VLACH, R.; Tepelné procesy v mechatronických soustavách.
[22] HAK, J., OŠLEJŠEK, O.:Výpočet chlazení elektrických strojů, Díl 1. Výzkumný a
vývojový ústav elektrických strojů točivých, Brno 1973.
[23] INCROPERA, F.P; DEWITT, D.P.: Fundamental of Heat and Mass Transfer, USA,
2002,
[24] PYRÖNEN, J.; JOKINEN, T.; HRABOVCOVÁ, V.; Design of Rotating Electrical
Machines, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, UK., 2008, ISBN: 9780470695166
[25] LIST, VL., HAK, J., kol.: Technický průvodce 12, Elektrotechnika II, Elektrické stroje
– část 1. Praha, SNTL,1969.
[26] JANOTKOVÁ, E., PAVELKA, M., OŠLEJŠK, O.,: Přestup tepla z čelních ploch
rotorů elektrických strojů s kotvou na krátko. Elektrotechnický obzor, roč. 78, 1989, č.
4, s. 206-210.
[27] ARKKIO, A.; S-17_3050_lecture_3.ppt, Special Courses on Electromechanics,
noppa.tkk.fi, 2010.
[28] BECKER, K.M.; KAYE J.; Measurements of diabatic flow in an annulus with an
inner rotating cylinder. Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol. 84,
May, pp. 97–105. 1962
[29] KNOPIK, T.; Design of a FEM-model for thermal calculation of squirrel-cage
induction machines and comparison with analytic models and measurements,
prezentace.pdf. TU-Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung. 2008
[30] ZDENĚK, D.: Chlazení čel statorového vinutí velkých střídavých strojů.
Elektrotechnický obzor, roč. 55, 1966, č. 10, s. 545-550
[31] HYNŠT, R.: Řešení obecné tepelné sítě elektrického stroje s oběhem chladiva.
Technika elektrických strojů, roč. 14, 1969, s. 37-51. VÚES Brno.
[32] NOVÝ, V.: Průběh oteplení ve vinutí s různě chlazenými úseky. Elektrotechnický
obzor, roč. 55, 1966, č. 11, s. 605- 611
[33] HYNŠT, R.: Zpřesnění tepelného výpočtu el.strojů podle metody tepelných sítí.
Technika elektrických strojů, roč. 22, 1977, s. 71-83. VÚES Brno.
[34] OŠLEJŠK, O.: Analýza chlazení zavřených asynchronních motorů typové velikosti10.
Technická zpráva TZ 1171a, Výzkumný a vývojový ústav elektrických strojů točivých
Brno, 1965.
[35] KOPYLOV, I. P., kol.: Stavba elektrických strojů. Praha , STNL/MIR, 1988.
[36] BLEJCHAŘ, T.: Návody do cvičení "Modelování proudění - CFX, VŠB -TU Ostrava,
2009
[37] SVS FEM, Ansys Workbench manual, manuál
[38] BAUML, T.; KRAL, C.; HAUMER, A.; KAPELLER, H.; , "Enhanced Thermal
Model of a Totally Enclosed Fan Cooled Squirrel Cage Induction Machine," Electric
Machines & Drives Conference, 2007. IEMDC '07. IEEE International , vol.2, no.,
pp.1054-1058, 3-5 May 2007doi: 10.1109/IEMDC.2007.382822T.
[39] BOLDEA, I., NASAR, S,: The Induction Machine Handbook, CRC Press, 2002, ISBN
0-8493-0004-5
[40] SHENKMAN, A. L.; CHERTKOV, M.: Experimental Method for Synthesis of
Generalized Thermal Circuit of Polyphase Induction Motors, V časopise IEEE
Transaction on Energy Conversion, Vol. 15, No. 3, 2000, s. 264 – 268
[41] CIGÁNEK, L.: Stavba elektrických strojů. Praha, STNL,1958.
[42] BECKER K.M., KAYE J. Measurements of diabatic flow in an annulus with an
inner rotating cylinder. Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol. 84,
May, pp. 97–105. 1962.
Seznam publikovaných prací
[1] FAJT, Tomáš a PECHÁNEK, Roman. Využití software ansys při chlazení trakčních
motorů. Vybrané problémy elektrických strojů a pohonů 2009, 2009. ISSNISBN: 978-80-214-3905-4
[2] HRUŠKA, Karel,
KINDL, Vladimír a
PECHÁNEK, Roman.
Stanovení
sil
působících na tyče asynchronního stroje ŠKODA ML 4550 K/6 pomocí programu
MATLAB. Trvalá prosperita, Plzeň, 2007 .
[3] HRUŠKA, Karel a PECHÁNEK, Roman. Reconstruction and Re-engineering of
Synchronous Generator. ISEM 2008, 2008. ISSN-ISBN: 978-80-01-04172-7
[4] HRUŠKA, Karel, KINDL, Vladimír a PECHÁNEK, Roman. Concept, Design and
Coupled Electro-Thermal Analysis of New Hybrid Drive Vehicle for Public Transport.
14th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2010. ISSNISBN: 978-1-4244-7856-9
[5] JELÍNEK, Vladimír, KRASL, Milan a PECHÁNEK, Roman. Restriction of losses in
the winding of the superconducting transformer. ISEM 2008, 2008. ISSN-ISBN: 97880-01-04172-7
[6] KINDL, Vladimír,
Electromagnetic
HRUŠKA, Karel a
and
Thermal
PECHÁNEK, Roman. The Analysis of
Events
in
Induction
Machine.
1.
ANSYS
konference, 2008. ISSN-ISBN: 978-80-254-3355-3
[7] KINDL, Vladimír, HRUŠKA, Karel a PECHÁNEK, Roman. Výpočet silových účinků
na rotor stroje ML 4550 K6 vlivem časových harmonických, 2010.
[8] KINDL, Vladimír a PECHÁNEK, Roman. Calculation of forces in the induction
machine rotor caused by time harmonics. Transaction of Kremenchuk Mykhaylo
Ostrogradskiy State University, 2010. ISSN-ISBN: 2072-8263
[9] KINDL, Vladimír a PECHÁNEK, Roman. Coupled Analysis Of Stator Coil Through
FEM. XVII. International Symposium on Electric Machinery in Prague ISEM
2009, 2009. ISSN-ISBN: 978-80-01-04417-9
[10] KINDL, Vladimír a
PECHÁNEK, Roman.
Preparation
of
the
model
and
methodology for calculating losses in electromagnetic shielding of transformer.
Electromechanical and energy systems, modeling and optimization methods, 2010.
ISSN-ISBN: 2079-5106
[11] KINDL, Vladimír a PECHÁNEK, Roman. Výpočet ztrát v elektromagnetickém stínění
transformátoru, 2009.
[12] KINDL, Vladimír, PECHÁNEK, Roman a BOUZEK, Lukáš.
designed
machine.
Proceedings
of
13th
Cooling
International
of
Symposium
new
on
Mechatronics, 2010. ISSN-ISBN: 978-1-4244-7962-7
[13] KINDL, Vladimír, PECHÁNEK, Roman a BOUZEK, Lukáš.
Cooling
of
new
designed machine. Book of abstracts : 13th international symposium on
mechatronics, 2010. ISSN-ISBN: 978-80-8075-452-5
[14] KRASL, Milan a PECHÁNEK, Roman. Ventilation and thermal calculations of
asynchronous motor. ISEM 2007, 2007. ISSN-ISBN: 978-80-01-03807-9
[15] KRASL, Milan, aj. Permanentní magnety v synchronních strojích. Elektrické pohony
a výkonová elektronika, 2008. ISSN-ISBN: 978-80-7204-603-4
[16] KRASL, Milan, PECHÁNEK, Roman a
VLK, Rostislav.
Traction
transformer
1MVA, superconducting, oil immersed and medium frequency. Advances in Electrical
and Electronic Engineering, 1-2. vyd., 2008, roč. 7, č. 1-2, s. 191-194. ISSN: 13361376
[17] PECHÁNEK, Roman. Modifications at thermal network of squirrel cage traction
motors. OWD 2008, 2008. ISSN-ISBN: 83-922242-4-8
[18] PECHÁNEK, Roman. Stanovení oteplení asynchronního stroje ŠKODA ML 4550 K/6
metodou MKP. Trvalá prosperita, 2007.
[19] PECHÁNEK, Roman.
asynchronního
Tepelný
motoru.
a
ventilační
Elektrotechnika
a
výpočet
uzavřeného
informatika
2007.
trakčního
Část
1.,
Elektrotechnika, 2007. ISSN-ISBN: 978-80-7043-572-4
[20] PECHÁNEK, Roman. Teplotní analýza trakčního asynchronního motoru pomocí
softwaru ANSYS. Elektrotechnika a informatika 2008. Část 1., Elektrotechnika, 2008.
ISSN-ISBN: 978-80-7043-702-5
[21] PECHÁNEK, Roman. Thermal analysis of squirrel-cage induction machine trough
2D FEM. ISEM 2008, 2008. ISSN-ISBN: 978-80-01-04172-7
[22] PECHÁNEK, Roman. Thermal calculations in steady state of asynchronous enclesed
motor. OWD '2007, 2007. ISSN-ISBN: 83-922242-2-1
[23] PECHÁNEK, Roman. Air Gap Flow Of Turbogenerators Through CFD Model. XVII.
International Symposium on Electric Machinery in Prague ISEM 2009, 2009. ISSNISBN: 978-80-01-04417-9
[24] PECHÁNEK, Roman. Determine the approximate temperature rise of alternative
induction machine to CREUSEN 71L PMSM. Plzeň, 2010 .
[25] PECHÁNEK, Roman. Koncepce, design a teplotní analýza pohonu hybridního vozidla
pro městskou hromadnou dopravu. Elektrotechnika a informatika 2009. Část 1.,
Elektrotechnika, 2009. ISSN-ISBN: 978-80-7043-810-7
[26] PECHÁNEK, Roman. Model of air flow in cooling system of induction machines.
OWD 2009, 2009. ISSN-ISBN: 83-922242-5-6
[27] PECHÁNEK, Roman.
Teplotní
analýza
hub-wheel
synchronního
stroje
s
permanentními magnety. Plzeň, 2009 .
[28] PECHÁNEK, Roman. Teplotní analýza motoru ŠKODA ML 4550 K/6. Výzkum
pevnosti a dynamiky rotorů nové generace velkých asynchronních motorů, Plzeň,
2008.
[29] PECHÁNEK, Roman. Ventilační výpočet motoru ŠKODA ML 4550 K/6. Výzkum
pevnosti a dynamiky rotorů nové generace velkých asynchronních motorů, Plzeň,
2008.
[30] PECHÁNEK, Roman. Výpočet oteplení nového asynchronního motoru 141L firmy
CREUSEN. Elektrotechnika a informatika 2010. Část 1., Elektrotechnika, 2010. ISSNISBN: 978-80-7043-913-5
[31] PECHÁNEK, Roman a JANDA, Zbyněk. Analýza oteplení cívky statorového vinutí.
Diagnostika '09, 2009. ISSN-ISBN: 978-80-7043-793-3
[32] PECHÁNEK, Roman a KINDL, Vladimír. Calculation of losses in electromagnetic
shieldings of transformers. Transactions of Kremenchuk Mykhaylo Ostrogradskiy
State University, 2010. ISSN-ISBN: 2072-8263
[33] PECHÁNEK, Roman a KINDL, Vladimír. Chlazení nově navrženého asynchronního
stroje. Elektrické pohony, 2009. ISSN-ISBN: 978-80-02-02151-3