ניתוח ניהול תרמי של מנועי אינדוקציה על ידי שילוב של מערכת מקוררת אוויר ומערכת משולבת לקירור מים

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בינתיים, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
בשל עלויות התפעול ואריכות החיים של המנוע, אסטרטגיית ניהול תרמית נכונה של המנוע היא חשובה ביותר.מאמר זה פיתח אסטרטגיית ניהול תרמי עבור מנועי אינדוקציה כדי לספק עמידות טובה יותר ולשפר את היעילות.בנוסף, בוצעה סקירה מקיפה של הספרות על שיטות קירור המנוע.כתוצאה העיקרית, ניתן חישוב תרמי של מנוע אסינכרוני מקורר אוויר בעל הספק גבוה, תוך התחשבות בבעיה הידועה של חלוקת חום.בנוסף, מחקר זה מציע גישה משולבת עם שתי אסטרטגיות קירור או יותר כדי לענות על הצרכים הנוכחיים.מחקר מספרי של דגם של מנוע אסינכרוני מקורר אוויר בהספק של 100 קילוואט ומודל ניהול תרמי משופר של אותו מנוע, שבו מושגת עלייה משמעותית ביעילות המנוע באמצעות שילוב של קירור אוויר ומערכת קירור מים משולבת. בוצע.מערכת משולבת מקוררת אוויר וקירור מים נחקרה באמצעות גרסאות SolidWorks 2017 ו-ANSYS Fluent 2021.שלוש זרימות מים שונות (5 ליטר לדקה, 10 ליטר לדקה ו-15 ליטר לדקה) נותחו מול מנועי אינדוקציה רגילים מקוררי אוויר ואומתו באמצעות משאבים זמינים שפורסמו.הניתוח מראה כי עבור קצבי זרימה שונים (5 ליטר לדקה, 10 ליטר לדקה ו-15 ליטר לדקה בהתאמה) השגנו הפחתות טמפרטורה מקבילות של 2.94%, 4.79% ו-7.69%.לכן, התוצאות מראות שמנוע האינדוקציה המוטבע יכול להפחית ביעילות את הטמפרטורה בהשוואה למנוע האינדוקציה המקורר באוויר.
המנוע החשמלי הוא אחת ההמצאות המרכזיות של מדע ההנדסה המודרני.מנועים חשמליים משמשים בכל דבר, החל ממכשירי חשמל ביתיים ועד כלי רכב, כולל תעשיית הרכב והתעופה והחלל.בשנים האחרונות עלתה הפופולריות של מנועי אינדוקציה (AM) בשל מומנט ההתנעה הגבוה שלהם, בקרת מהירות טובה ויכולת עומס יתר בינונית (איור 1).מנועי אינדוקציה לא רק גורמים לנורות שלך להאיר, הם מפעילים את רוב הגאדג'טים בבית שלך, ממברשת השיניים שלך ועד הטסלה שלך.אנרגיה מכנית ב-IM נוצרת על ידי מגע השדה המגנטי של פיתולי הסטטור והרוטור.בנוסף, IM הוא אופציה מעשית בשל היצע מוגבל של מתכות אדמה נדירות.עם זאת, החיסרון העיקרי של ADs הוא שאורך החיים והיעילות שלהם רגישים מאוד לטמפרטורה.מנועי אינדוקציה צורכים כ-40% מהחשמל בעולם, מה שאמור להוביל אותנו לחשוב שניהול צריכת החשמל של מכונות אלו הוא קריטי.
משוואת Arrhenius קובעת כי על כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורת העבודה, חיי המנוע כולו מצטמצמים בחצי.לכן, כדי להבטיח את האמינות ולהגדיל את הפרודוקטיביות של המכונה, יש צורך לשים לב לבקרה התרמית של לחץ הדם.בעבר, ניתוח תרמי הוזנח ומתכנני מנועים שקלו את הבעיה רק ​​בפריפריה, בהתבסס על ניסיון עיצובי או משתנים מימדיים אחרים כגון צפיפות זרם מתפתל וכו'. גישות אלו מובילות ליישום מרווחי בטיחות גדולים לרעה- תנאי חימום במקרה, וכתוצאה מכך לעלייה בגודל המכונה ולפיכך לעלייה בעלות.
ישנם שני סוגים של ניתוח תרמי: ניתוח מעגלים בגוש ושיטות מספריות.היתרון העיקרי של שיטות אנליטיות הוא היכולת לבצע חישובים במהירות ובדייקנות.עם זאת, יש לעשות מאמץ ניכר כדי להגדיר מעגלים בעלי דיוק מספיק כדי לדמות נתיבים תרמיים.מצד שני, שיטות מספריות מחולקות באופן גס לדינמיקת נוזלים חישובית (CFD) וניתוח תרמית מבנית (STA), שתיהן משתמשות בניתוח אלמנטים סופיים (FEA).היתרון של ניתוח מספרי הוא בכך שהוא מאפשר ליצור מודל של הגיאומטריה של המכשיר.עם זאת, הגדרת מערכת וחישובים יכולים לפעמים להיות קשים.המאמרים המדעיים הנידונים להלן הם דוגמאות נבחרות של ניתוח תרמי ואלקטרומגנטי של מנועי אינדוקציה מודרניים שונים.מאמרים אלה הניעו את המחברים לחקור תופעות תרמיות במנועים אסינכרוניים ושיטות לקירור שלהם.
Pil-Wan Han1 עסק בניתוח תרמי ואלקטרומגנטי של MI.שיטת ניתוח המעגל הגוש משמש לניתוח תרמי, ושיטת האלמנטים הסופיים המגנטיים המשתנים בזמן משמשת לניתוח אלקטרומגנטי.על מנת לספק כראוי הגנת עומס יתר תרמית בכל יישום תעשייתי, יש להעריך באופן אמין את הטמפרטורה של פיתול הסטטור.Ahmed et al.2 הציעו מודל רשת חום מסדר גבוה יותר המבוסס על שיקולים תרמיים ותרמודינמיים עמוקים.פיתוח שיטות מידול תרמי למטרות הגנה תרמית תעשייתית מרוויח מפתרונות אנליטיים והתחשבות בפרמטרים תרמיים.
Nair et al.3 השתמשו בניתוח משולב של 39 קילוואט IM וניתוח תרמי תלת מימדי כדי לחזות את ההתפלגות התרמית במכונה חשמלית.Ying et al.4 ניתחו הודעות IM סגורות לחלוטין (TEFC) מקוררות מאוורר עם הערכת טמפרטורה תלת-ממדית.מון וחב'.5 למד את תכונות זרימת החום של IM TEFC באמצעות CFD.מודל המעבר המוטורי LPTN ניתן על ידי Todd et al.6.נעשה שימוש בנתוני טמפרטורה ניסיוניים יחד עם טמפרטורות מחושבות הנגזרות ממודל ה-LPTN המוצע.Peter et al.7 השתמשו ב-CFD כדי לחקור את זרימת האוויר המשפיעה על ההתנהגות התרמית של מנועים חשמליים.
Cabral et al8 הציעו מודל תרמי IM פשוט שבו טמפרטורת המכונה התקבלה על ידי יישום משוואת דיפוזיית חום הצילינדר.Nategh et al.9 חקרו מערכת מנוע גרירה מאווררת עצמית באמצעות CFD כדי לבדוק את הדיוק של רכיבים אופטימליים.לפיכך, ניתן להשתמש במחקרים מספריים וניסיוניים כדי לדמות ניתוח תרמי של מנועי אינדוקציה, ראה איור.2.
Yinye et al.10 הציעו תכנון לשיפור הניהול התרמי על ידי ניצול התכונות התרמיות הנפוצות של חומרים סטנדרטיים ומקורות נפוצים לאובדן חלקי מכונה.Marco et al.11 הציגו קריטריונים לתכנון מערכות קירור ומעילי מים לרכיבי מכונות באמצעות מודלים של CFD ו-LPTN.Yaohui et al.12 מספקים קווים מנחים שונים לבחירת שיטת קירור מתאימה והערכת ביצועים בשלב מוקדם בתהליך התכנון.Nell et al.13 הציעו להשתמש במודלים לסימולציה אלקטרומגנטית-תרמית משולבת עבור טווח נתון של ערכים, רמת פירוט וכוח חישוב עבור בעיה מולטיפיסיקה.Jean et al.14 ו- Kim et al.15 חקרו את התפלגות הטמפרטורה של מנוע אינדוקציה מקורר אוויר באמצעות שדה FEM משולב תלת מימדי.חשב נתוני קלט באמצעות ניתוח שדה זרם מערבולת תלת מימד כדי למצוא הפסדי ג'ול ולהשתמש בהם לניתוח תרמי.
Michel et al.16 השוו מאווררי קירור צנטריפוגליים קונבנציונליים עם מאווררים ציריים בעיצובים שונים באמצעות סימולציות וניסויים.אחד מהעיצובים הללו השיג שיפורים קטנים אך משמעותיים ביעילות המנוע תוך שמירה על אותה טמפרטורת פעולה.
Lu et al.17 השתמשו בשיטת המעגל המגנטי המקביל בשילוב עם מודל Boglietti כדי להעריך הפסדי ברזל על הציר של מנוע אינדוקציה.המחברים מניחים שהתפלגות צפיפות השטף המגנטי בכל חתך בתוך מנוע הציר היא אחידה.הם השוו את השיטה שלהם לתוצאות של ניתוח אלמנטים סופיים ומודלים ניסיוניים.ניתן להשתמש בשיטה זו לניתוח מפורש של MI, אך הדיוק שלה מוגבל.
18 מציג שיטות שונות לניתוח השדה האלקטרומגנטי של מנועי אינדוקציה ליניאריים.ביניהן מתוארות שיטות להערכת הפסדי הספק במסילות תגובתיות ושיטות לניבוי עליית הטמפרטורה של מנועי אינדוקציה ליניאריים מתיחה.ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לשפר את יעילות המרת האנרגיה של מנועי אינדוקציה ליניאריים.
זבדור ואח'.19 חקרו את הביצועים של מעילי קירור בשיטה מספרית תלת מימדית.מעיל הקירור משתמש במים כמקור נוזל הקירור העיקרי עבור ה-IM התלת פאזי, שחשוב להספק ולטמפרטורות המקסימליות הנדרשות לשאיבה.ריפל וחב'.20 רשמו פטנט על גישה חדשה למערכות קירור נוזלי הנקראות קירור למינציה רוחבי, שבה נוזל הקירור זורם לרוחב דרך אזורים צרים הנוצרים על ידי חורים זה בזה במינציה מגנטית.Deriszade et al.21 חקר בניסוי את קירור מנועי המתיחה בתעשיית הרכב באמצעות תערובת של אתילן גליקול ומים.הערך את הביצועים של תערובות שונות עם CFD וניתוח נוזלים סוערים בתלת מימד.מחקר סימולציה של Boopathi וחב'22 הראה שטווח הטמפרטורות של מנועים מקוררי מים (17-124 מעלות צלזיוס) קטן משמעותית מאשר למנועים מקוררי אוויר (104-250 מעלות צלזיוס).הטמפרטורה המקסימלית של המנוע מקורר המים האלומיניום מופחתת ב-50.4%, והטמפרטורה המקסימלית של המנוע המקורר במים PA6GF30 מופחתת ב-48.4%.Bezukov et al.23 העריכו את ההשפעה של היווצרות אבנית על המוליכות התרמית של דופן המנוע עם מערכת קירור נוזלית.מחקרים הראו שסרט תחמוצת בעובי 1.5 מ"מ מפחית את העברת החום ב-30%, מגביר את צריכת הדלק ומפחית את כוח המנוע.
Tanguy et al.24 ערכו ניסויים עם קצבי זרימה שונים, טמפרטורות שמן, מהירויות סיבוב ומצבי הזרקה עבור מנועים חשמליים המשתמשים בשמן סיכה כנוזל קירור.נוצר קשר חזק בין קצב הזרימה ליעילות הקירור הכוללת.Ha et al.25 הציעו להשתמש בחרירי טפטוף כדיזות לפיזור שווה של סרט השמן ולמקסם את יעילות קירור המנוע.
Nandi et al.26 ניתחו את ההשפעה של צינורות חום שטוחים בצורת L על ביצועי המנוע והניהול התרמי.חלק מאייד צינור החום מותקן במארז המנוע או קבור בפיר המנוע, וחלק המעבה מותקן ומקורר על ידי נוזל או אוויר במחזור.Belletre et al.27 למד מערכת קירור PCM מוצק-נוזל עבור סטאטור מנוע חולף.ה-PCM מטביע את ראשי המתפתלים, מוריד את טמפרטורת הנקודה החמה על ידי אחסון אנרגיה תרמית סמויה.
לפיכך, ביצועי המנוע והטמפרטורה מוערכים באמצעות אסטרטגיות קירור שונות, ראה איור.3. מעגלי קירור אלו נועדו לשלוט בטמפרטורה של פיתולים, לוחות, ראשי פיתול, מגנטים, פגר ולוחות קצה.
מערכות קירור נוזלים ידועות בהעברת החום היעילה שלהן.עם זאת, שאיבת נוזל קירור סביב המנוע צורכת אנרגיה רבה, מה שמפחית את תפוקת הכוח האפקטיבית של המנוע.מערכות קירור אוויר, לעומת זאת, הן שיטה בשימוש נרחב בשל עלותן הנמוכה וקלות השדרוג שלהן.עם זאת, הוא עדיין פחות יעיל ממערכות קירור נוזלי.דרושה גישה משולבת שיכולה לשלב את ביצועי העברת החום הגבוהים של מערכת מקוררת נוזלים עם העלות הנמוכה של מערכת מקוררת אוויר מבלי לצרוך אנרגיה נוספת.
מאמר זה מפרט ומנתח את הפסדי החום בספירה.המנגנון של בעיה זו, כמו גם החימום והקירור של מנועי אינדוקציה, מוסבר בסעיף איבוד חום במנועי אינדוקציה דרך אסטרטגיות קירור.איבוד החום של הליבה של מנוע אינדוקציה הופך לחום.לכן, מאמר זה דן במנגנון העברת החום בתוך המנוע על ידי הולכה והסעה מאולצת.מדווחים מודלים תרמיים של IM באמצעות משוואות המשכיות, משוואות Navier-Stokes/מומנטום ומשוואות אנרגיה.החוקרים ביצעו מחקרים תרמיים אנליטיים ומספריים של IM כדי להעריך את הטמפרטורה של פיתולי הסטטור רק למטרה לשלוט על המשטר התרמי של המנוע החשמלי.מאמר זה מתמקד בניתוח תרמי של הודעות מיידיות מקוררות אוויר וניתוח תרמי של הודעות מיידיות משולבות מקוררות אוויר ומקוררות מים תוך שימוש במודלים של CAD וסימולציית ANSYS Fluent.והיתרונות התרמיים של המודל המשופר המשולב של מערכות מקוררות אוויר ומים מנותחים לעומק.כפי שצוין לעיל, המסמכים המפורטים כאן אינם סיכום של המצב הקיים בתחום התופעות התרמיות וקירור מנועי אינדוקציה, אך הם מצביעים על בעיות רבות שיש לפתור על מנת להבטיח את פעולתם האמינה של מנועי האינדוקציה. .
איבוד חום מתחלק בדרך כלל לאובדן נחושת, איבוד ברזל ואיבוד חיכוך/אובדן מכני.
הפסדי נחושת הם תוצאה של חימום ג'ול עקב ההתנגדות של המוליך וניתן לכמת אותם כ-10.28:
כאשר q̇g הוא החום שנוצר, I ו- Ve הם הזרם והמתח הנומינליים, בהתאמה, ו-Re הוא התנגדות הנחושת.
אובדן ברזל, הידוע גם בשם אובדן טפילי, הוא הסוג השני העיקרי של אובדן שגורם להיסטרזה ולהפסדי זרם מערבולת ב-AM, הנגרמים בעיקר מהשדה המגנטי המשתנה בזמן.הם מכומתים על ידי משוואת שטיינמץ המורחבת, אשר המקדמים שלה יכולים להיחשב קבועים או משתנים בהתאם לתנאי ההפעלה10,28,29.
כאשר Khn הוא מקדם אובדן ההיסטרזיס הנגזר מתרשים אובדן הליבה, Ken הוא מקדם אובדן זרם המערבולת, N הוא האינדקס ההרמוני, Bn ו-f הם צפיפות השטף השיא ותדירות העירור הלא-סינוסואידי, בהתאמה.ניתן לפשט עוד יותר את המשוואה שלעיל כדלקמן10,29:
ביניהם, K1 ו-K2 הם מקדם אובדן הליבה ואובדן זרם מערבולת (qec), אובדן היסטרזיס (qh), ואובדן עודף (qex), בהתאמה.
עומס רוח ואיבודי חיכוך הם שני הגורמים העיקריים להפסדים מכניים ב-IM.הפסדי רוח וחיכוך הם 10,
בנוסחה, n הוא מהירות הסיבוב, Kfb הוא מקדם הפסדי החיכוך, D הוא הקוטר החיצוני של הרוטור, l הוא אורך הרוטור, G הוא משקל הרוטור 10.
המנגנון העיקרי להעברת חום בתוך המנוע הוא באמצעות הולכה וחימום פנימי, כפי שנקבע על ידי משוואת פויסון 30 המיושמת על דוגמה זו:
במהלך הפעולה, לאחר נקודת זמן מסוימת שבה המנוע מגיע למצב יציב, ניתן להעריך את החום שנוצר על ידי חימום קבוע של שטף החום של פני השטח.לכן, ניתן להניח שההולכה בתוך המנוע מתבצעת עם שחרור חום פנימי.
העברת החום בין הסנפירים לאטמוספירה שמסביב נחשבת להסעה מאולצת, כאשר הנוזל נאלץ לנוע בכיוון מסוים על ידי כוח חיצוני.הסעה יכולה להתבטא כ-30:
כאשר h הוא מקדם העברת החום (W/m2 K), A הוא שטח הפנים, ו-ΔT הוא הפרש הטמפרטורה בין משטח העברת החום לחומר הקירור בניצב לפני השטח.מספר Nusselt (Nu) הוא מדד ליחס בין העברת חום הסעה ומוליך בניצב לגבול והוא נבחר על סמך המאפיינים של זרימה למינרית וטורבולנטית.על פי השיטה האמפירית, מספר נוסלט של זרימה סוערת מקושר בדרך כלל למספר ריינולדס ולמספר פראנדל, מבוטא כ-30:
כאשר h הוא מקדם העברת החום ההסעה (W/m2 K), l הוא האורך האופייני, λ הוא המוליכות התרמית של הנוזל (W/m K), ומספר Prandtl (Pr) הוא מדד ליחס של מקדם הדיפוזיה המומנטום לפיזור התרמית (או המהירות והעובי היחסי של שכבת הגבול התרמית), המוגדר כ-30:
כאשר k ו-cp הם המוליכות התרמית וקיבולת החום הסגולית של הנוזל, בהתאמה.באופן כללי, אוויר ומים הם נוזלי הקירור הנפוצים ביותר למנועים חשמליים.תכונות הנוזל של אוויר ומים בטמפרטורת הסביבה מוצגות בטבלה 1.
מודל תרמי IM מבוסס על ההנחות הבאות: מצב יציב תלת מימדי, זרימה סוערת, אוויר הוא גז אידיאלי, קרינה זניחה, נוזל ניוטוני, נוזל בלתי דחוס, מצב ללא החלקה ותכונות קבועות.לכן, המשוואות הבאות משמשות למילוי חוקי שימור המסה, התנע והאנרגיה באזור הנוזל.
במקרה הכללי, משוואת שימור המסה שווה לזרימת המסה נטו לתא עם נוזל, שנקבעת על ידי הנוסחה:
לפי החוק השני של ניוטון, קצב השינוי של התנע של חלקיק נוזלי שווה לסכום הכוחות הפועלים עליו, וניתן לכתוב את משוואת שימור התנע הכללית בצורה וקטורית כך:
המונחים ∇p, ∇∙τij ו-ρg במשוואה שלעיל מייצגים לחץ, צמיגות וכוח משיכה, בהתאמה.אמצעי קירור (אוויר, מים, שמן וכו') המשמשים כנוזל קירור במכונות נחשבים בדרך כלל לניוטונים.המשוואות המוצגות כאן כוללות רק קשר ליניארי בין מתח גזירה לשיפוע מהירות (קצב מתח) בניצב לכיוון הגזירה.בהתחשב בצמיגות קבועה וזרימה קבועה, ניתן לשנות את המשוואה (12) ל-31:
לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה, קצב השינוי באנרגיה של חלקיק נוזל שווה לסכום החום הנקי שנוצר על ידי חלקיק הנוזל והכוח הנקי שמפיק חלקיק הנוזל.עבור זרימה צמיגה דחיסה ניוטונית, ניתן לבטא את משוואת שימור האנרגיה כ-31:
כאשר Cp הוא קיבולת החום בלחץ קבוע, והמונח ∇ ∙ (k∇T) קשור למוליכות התרמית דרך גבול התא הנוזל, כאשר k מציין את המוליכות התרמית.ההמרה של אנרגיה מכנית לחום נחשבת במונחים של \(\varnothing\) (כלומר, פונקציית הפיזור הצמיג) ומוגדרת כ:
כאשר \(\rho\) היא צפיפות הנוזל, \(\mu\) היא צמיגות הנוזל, u, v ו-w הם הפוטנציאל של כיוון x, y, z של מהירות הנוזל, בהתאמה.מונח זה מתאר את ההמרה של אנרגיה מכנית לאנרגיה תרמית וניתן להתעלם ממנו מכיוון שהוא חשוב רק כאשר צמיגות הנוזל גבוהה מאוד ושיפוע המהירות של הנוזל גדול מאוד.במקרה של זרימה יציבה, חום סגולי קבוע ומוליכות תרמית, משוואת האנרגיה משתנה באופן הבא:
משוואות בסיסיות אלו נפתרות עבור זרימה למינרית במערכת הקואורדינטות הקרטזית.עם זאת, כמו בעיות טכניות רבות אחרות, פעולתן של מכונות חשמליות קשורה בעיקר לזרימות סוערות.לכן, משוואות אלו שונו ליצירת שיטת הממוצע של ריינולדס נאבייר-סטוקס (RANS) עבור מודלים של טורבולנציה.
בעבודה זו, נבחרה תוכנית ANSYS FLUENT 2021 למידול CFD עם תנאי הגבול המתאימים, כמו הדגם הנחשב: מנוע אסינכרוני עם קירור אוויר בהספק של 100 קילוואט, קוטר הרוטור 80.80 מ"מ, קוטר של הסטטור 83.56 מ"מ (פנימי) ו-190 מ"מ (חיצוני), מרווח אוויר של 1.38 מ"מ, האורך הכולל של 234 מ"מ, הכמות , עובי הצלעות 3 מ"מ..
דגם המנוע מקורר האוויר של SolidWorks מיובא לאחר מכן ל-ANSYS Fluent ומדומים.בנוסף, התוצאות המתקבלות נבדקות על מנת להבטיח את דיוק הסימולציה שבוצעה.בנוסף, IM משולב מקורר אוויר ומים עוצב באמצעות תוכנת SolidWorks 2017 והודמה באמצעות תוכנת ANSYS Fluent 2021 (איור 4).
העיצוב והמידות של דגם זה בהשראת סדרת האלומיניום של סימנס 1LA9 ומעוצבים ב-SolidWorks 2017. הדגם שונה מעט כדי להתאים לצרכי תוכנת הסימולציה.שנה דגמי CAD על ידי הסרת חלקים לא רצויים, הסרת פילטים, שיפועים ועוד בעת בניית מודלים עם ANSYS Workbench 2021.
חידוש עיצובי הוא מעיל המים, שאורכו נקבע מתוצאות ההדמיה של הדגם הראשון.בוצעו כמה שינויים בהדמיית מעיל המים כדי לקבל את התוצאות הטובות ביותר בעת שימוש במותניים ב-ANSYS.חלקים שונים של ה-IM מוצגים באיור.5א–ו.
(א).ליבת רוטור וציר IM.(ב) ליבת סטטור IM.(ג) פיתול סטטור IM.(ד) מסגרת חיצונית של ה-MI.(ה) מעיל מים IM.ו) שילוב של דגמי IM מקוררים באוויר ובמים.
המאוורר המותקן על הציר מספק זרימת אוויר קבועה של 10 מ' לשנייה וטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס על פני הסנפירים.ערך הקצב נבחר באופן אקראי בהתאם לקיבולת לחץ הדם המנותח במאמר זה, שהיא גדולה מזו המצוינת בספרות.האזור החם כולל את הרוטור, הסטטור, פיתולי הסטטור ומוטות כלוב הרוטור.החומרים של הסטטור והרוטור הם פלדה, הפיתולים ומוטות הכלוב הם נחושת, המסגרת והצלעות אלומיניום.החום הנוצר באזורים אלו נובע מתופעות אלקטרומגנטיות, כמו חימום ג'ול כאשר מועבר זרם חיצוני דרך סליל נחושת, וכן משינויים בשדה המגנטי.שיעורי שחרור החום של הרכיבים השונים נלקחו מספרות שונות הזמינה עבור 100 קילוואט IM.
IM משולבים מקוררי אוויר ומקורר מים, בנוסף לתנאים הנ"ל, כללו גם מעיל מים, בו נותחו יכולות העברת החום ודרישות הספק המשאבה עבור קצבי זרימת מים שונים (5 ליטר לדקה, 10 ליטר לדקה). ו-15 ליטר לדקה).שסתום זה נבחר כשסתום המינימלי, מכיוון שהתוצאות לא השתנו באופן משמעותי עבור זרימות מתחת ל-5 ליטר לדקה.כמו כן, נבחרה קצב זרימה של 15 ליטר לדקה כערך המקסימלי, שכן עוצמת השאיבה גדלה משמעותית למרות שהטמפרטורה המשיכה לרדת.
דגמי IM שונים יובאו ל-ANSYS Fluent ונערכו בהמשך באמצעות ANSYS Design Modeler.יתר על כן, מעטפת בצורת קופסה במידות של 0.3 × 0.3 × 0.5 מ' נבנה מסביב לספירה כדי לנתח את תנועת האוויר סביב המנוע ולחקור את סילוק החום לאטמוספירה.ניתוחים דומים בוצעו עבור הודעות IM משולבות באוויר ובמים.
מודל ה-IM מעוצב באמצעות שיטות מספריות CFD ו-FEM.רשתות בנויות ב-CFD כדי לחלק תחום למספר מסוים של רכיבים על מנת למצוא פתרון.רשתות טטרהדרליות עם גדלי אלמנטים מתאימים משמשות לגיאומטריה מורכבת כללית של רכיבי מנוע.כל הממשקים מולאו ב-10 שכבות כדי להשיג תוצאות מדויקות של העברת חום פני השטח.גיאומטריית הרשת של שני דגמי MI מוצגת באיור.6א, ב.
משוואת האנרגיה מאפשרת לך ללמוד העברת חום באזורים שונים של המנוע.דגם המערבולת K-epsilon עם פונקציות קיר סטנדרטיות נבחר לדגם מערבולות סביב המשטח החיצוני.המודל לוקח בחשבון אנרגיה קינטית (Ek) ופיזור סוער (אפסילון).נחושת, אלומיניום, פלדה, אוויר ומים נבחרו עבור המאפיינים הסטנדרטיים שלהם לשימוש ביישומים המתאימים.שיעורי פיזור חום (ראה טבלה 2) ניתנים ככניסות, ותנאי אזורי סוללה שונים מוגדרים ל-15, 17, 28, 32. מהירות האוויר מעל מארז המנוע נקבעה ל-10 מ'/שנייה עבור שני דגמי המנוע, וב- בנוסף, נלקחו בחשבון שלושה קצבי מים שונים עבור כיסוי המים (5 ליטר לדקה, 10 ליטר לדקה ו-15 ליטר לדקה).למען דיוק רב יותר, השיירים עבור כל המשוואות נקבעו שווה ל-1 × 10-6.בחרו באלגוריתם הפשוט (Smi-Implicit Method for Pressure Equations) כדי לפתור את משוואות Navier Prime (NS).לאחר השלמת האתחול ההיברידית, ההגדרה תפעיל 500 איטרציות, כפי שמוצג באיור 7.