ANALIZA ELECTROMAGNETICĂ ȘI TERMICĂ A UNUI MOTOR CU ROTOR EXTERIOR [303463]

[anonimizat] A UNUI MOTOR CU ROTOR EXTERIOR

ENUNȚUL TEMEI: ……………………………………………

CONȚINUTUL proiectului de diplomă/lucrării de disertație

Piese scrise

Piese desenate

LOCUL DOCUMENTĂRII:

…………………………………………………

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC: Conf.dr. ing. Dan-Cristian POPA

Data emiterii temei: ………………………………………………

Termen de predare: ……………………………………………….

[anonimizat]: [anonimizat]. Dan-Cristian POPA Rudolf BUCS

(semnătura) (semnătura)

Declarație-angajament: Deoarece acest proiect de diplomă nu ar fi putut fi finalizat fără ajutorul membrilor departamentului Mașini și Acționări Electrice și a [anonimizat].

Data: ………… Semnătura

Declarație: Subsemnatul …………………….……………… declar că am întocmit prezentul proiect de diplomă/[anonimizat], sub îndrumarea conducătorului științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

Cuprins

1. [anonimizat] 1

2. INTRODUCERE 7

3. CONSIDERAȚII TEORETICE 9

3.1 Construcția mașinii asincrone ( de inducție ) 10

3.2 Principiul și regimurile de funcționare ale mașinii asincrone 11

3.3 Reglarea vitezei motoarelor asincrone 13

3.4 Randamentul și cuplul motorului asincron 13

3.5 Înfășurare și crestăturile rotorului 16

4. INFLUENȚA GEOMETRIEI ASUPRA CARACTERISTICII MOTORULUI DE INDUCȚIE CU ROTOR EXTERIOR 17

4.1 Obiectul lucrării 17

4.2 Prezentarea programului de calcul 21

4.3 Construcția geometriei mașinilor de inducție 22

4.4 Regimul de funcționare staționar 26

4.4.1 Rezultate modificând poziția rotorului 26

4.4.2 Rezultate prin modificarea înălțimii barelor rotorice 31

4.4.3 Rezultate prin modificarea lățimii barelor rotorice 36

4.4.4 Rezultate prin modificarea formei barelor rotoric 40

4.4.5 Rezultate prin modificarea înălțimea istmului barelor rotorice 43

4.4.6 Rezultate prin eliminarea istmumului barelor rotorice 46

5. ÎNCĂLZIREA MOTORULUI DE INDUCȚIE CU ROTORUL EXTERIOR 50

5.1 Generalități privind încălzirea mașinii de inducție 50

5.2 Transmisia căldurii 51

5.3 Procesele tranzitorii termice ale mașinilor electrice 51

5.3.1 Rezultatele obținute al încălzirii mașinii de inducție cu rotor in exterior 52

5.3.2 Rezultatele obținute al încălzirii mașinii de inducție cu bare rotorice de formă dreptunghiulara 59

6. CONCLUZII 66

7. BIBLOGRAFIE 67

INTRODUCERE

Prosperitatea comunității depinde foarte mult de producerea a bunurilor și al serviciilor.

Dar pentru a [anonimizat].

Controlul mișcării și al încălzirii este baza folosirii a energiei , care stă la baza funcționării al mașinilor electrice.

Din categoria mașinilor electrice face parte și mașina asincronă (de inducție) cu rotorul în exterior care reprezintă obiectivul studiului realizat în această lucrare.

Motoarele electrice pot fi găsite în multe dimensiuni și medii de utilizare.

[anonimizat]. Fiecare dintre noi întâlnim zilnic sute de motoare fără să ne dăm seama: ceasuri deșteptătoare, televizoare, aparate de ras, periuțe de dinți, telefoane, ventilatoare, încălzitoare, aer condiționat.

Secretul utilizării pe scară largă a motorului electric este fiabilitatea. Această fiabilitate se datorează simplității motoarelor. Indiferent de tip, toate motoarele electrice au doar două componente de bază : un rotor (partea mobilă) și un stator (partea statică).

Mașinile de inducție cu rotor in colivie se construiesc obișnuit pentru puteri de pana la

1 000 de kW.

Motorul asincron cu rotorul în colivie este mai ieftin și mai fiabil decât motorul cu rotorul bobinat care necesită mai multe cheltuieli de întreținere. Neavând colector dispar și toate dezavantajele: zgomot , scântei , poluare electromagnetică.

Studiul prezentat în această lucrare se referă la un motor de inducție cu rotor în exterior.

Modelul mașinii este preluată din programul Speed .

Obiectivul lucrării a fost de a analiza încălzirea unei mașini de inducție (asincrona) cu rotorul în exterior , care are un design optim din punct de vedere al factorului de putere și îmbunătățirea performantelor mașinii față de cele obținute pe cale teoretică.

În acest scop se analizează mai multe structuri din punct de vedere electromagnetic, folosind programul FLUX 2D.

Lucrarea conține 5 capitole, în fiecare din acestea urmărindu-se prezentarea cat mai clară a fenomenelor care au loc în mașinile electrice, exprimarea analitică a acestor fenomene, cat și interpretarea rezultatelor ce decurg din demonstrațiilor efectuate.

În prima parte a lucrării sunt prezentate câteva considerații teoretice despre mașina de inducție, unde am prezentat sumar formele simplificate ale legilor care guvernează fenomenele de bază din electrotehnică pentru scrierea ecuațiilor ce descriu comportamentul unei mașini electrice. În cea de a doua parte este prezentată calculul electromagnetic al mașinilor de inducție. În al treilea parte este prezentată mașina de inducție ,în regim staționar, unde am realizat anumite simulări pentru a obține un câmp magnetic mai avantajos pentru mașina. În partea a patra al lucrării, am realizat simulări pe baza mașinii de inducție, în regim tranzitoriu , pentru a obține rezultate cât mai bune la încălzire. Iar în ultima parte sunt prezentate rezultatele obținute prin încălzirea motorului de inducție cu rotor in exterior ,realizate cu ajutorul programului FLUX 2D.

Prin modificările făcute asupra parametrilor geometrici sa urmărit obținerea unor rezultate cât mai fiabile prin îmbunătățirea caracteristicilor de funcționare. Tot prin aceste modificări sa urmărit cum ar puterea fi reduse și costurile de proiectare.

La final sunt exprimate câteva concluzii generale ale acestui studiu.

CONSIDERAȚII TEORETICE

În anul 1831, Michael Faraday descoperă inducția electromagnetică, reușind să realizeze conversia electromecanică a energiei si să enunțe ”Legea inducției electromagnetice”.

Pe baza legii de mai sus, a fost primul pas pentru realizarea mașinilor de inducție care au fost dezvoltate de: Galileo Ferraris (1885) si Nicola Tesla (1886). Mașinile realizate de ei sunt reprezentate mai jos în Fig.3.1 si Fig 3.2 .

Fig.3.1: Mașina de inducție Fig.3.2: Mașina de inducție

lui Ferraris lui Tesla

Prima variantă constructivă de mașina asincrona este a lui Galileo Ferraris care a realizat in anul 1885 un motor asincron bifazat cu rotorul din cupru masiv.

În anul 1890 Michael von Dolivo-Dobrovolski a conceput primele motoare asincrone care sunt cele mai răspândite motoare din categoria mașinilor electrice și care puteau sa fie folosite in acționările industriale iar construcția lor fiind în principiu foarte asemănător cu motoarele fabricate și în prezent.

Mașina asincronă are o gamă foarte largă de aplicații și se construiește pentru puteri de la câțiva W pana la ordinul MW, pentru frecvențe de 50 Hz și pentru tensiuni joase de sub 500 V și tensiuni medii de 3 kV, 6 kV, 10 kV.

Turațiile pentru care se construiesc aceste mașini sunt de 500,600,750,1000,1500 și 300 de rot/min.

Majoritatea aparatelor electrocasnice care le avem mulți dintre au în componența lor motoare de inducție de puteri mici care sunt alimentate printr-o singură fază de la rețeaua electrică.

Mașina asincrona este cea mai răspândita din categoria mașinilor electrice. Ea se întâlnește în acționările electrice din toate sectoarele industriale și sociale, în deosebi în regimul de motor trifazat, pentru acționarea mașinilor unelte, a pompelor, a compresoarelor, a morilor cu bile, a macaralelor electrice, a podurilor rulante, a aparaturii medicale, a aparaturii electrocasnice .

Această mașina este o mașina electrica rotativă, de curent alternativ (monofazat sau trifazată) la care viteza rotorului nu este egală cu viteza câmpului magnetic învârtitor. Mașina asincrona este una dintre cele mai utilizate mașini datorită avantajelor care le are.

Dintre acestea putem aminti câteva cum ar fi : de construcția simplă, de fiabilitate, de preț care este unul redus, poate fi alimentată direct de la rețeaua trifazată, performanțe tehnice ridicare cum ar fi cuplu mare la pornire si un randament ridicat.

Dar sa nu uitam și de dezavantajele care această mașina le are si ea la rândul ei printre ele fiind enumerate : factorul de putere relativ scăzut, șoc mare la pornire și caracteristica mecanică dură.

Construcția mașinii asincrone ( de inducție )

Mașina asincronă este din punct de vedere constructiv alcătuită din stator ca este partea fixă a mașinii având rol de indus și rotorul ca este partea mobila cu rol de inductor.

a)Statorul (partea fixă) este construit din tole cu crestături ștanțate spre întrefier, unde v-a fi introdus bobinajul trifazat. Sutorul este protejat spre exterior de o carcasa care poate fi din fontă sau din aluminiu. Înfășurarea trifazată a statorului este dispusă în crestăturile statorice și este formată din trei înfășurări monofazate având un defazaj între ele la 120° .

Miezul magnetic are o formă cilindrică și este realizat din tole de oțel electrotehnic având o grosime de 0,5 mm, tolele fiind izolate între ele cu lac izolant.

Înfășurările statorului sunt realizate din conductor de cupru, distribuite în crestăturile statorice iar la mașinile de puteri mici și mijloci înfășurările sunt realizate din aluminiu izolat cu email. Înfășurarea poate fi monofazată, difazată sau trifazată în funcție de felul mașinii.

Carcasa poate fi realizată prin doua moduri și anume primul fiind prin sudare dacă este din tablă de oțel electrotehnic iar cel de-al doilea mod fiind prin turnare daca este din aluminiu sau din fontă. Carcasa este prevăzută cu nervuri de răcire fiind un lucru foarte util pentru eliminarea căldurii în exteriorul mașinii. Pe carcasă se află tălpile de fixare ale mașinii, inelul de ridicare, plăcuța indicatoare și scuturile frontale.

b)Rotorul mașinii asincrone poate fi de doua tipuri : rotor bobinat sau rotor în scurtcircuit.

Rotorul are forma unui cilindru și este realizat dintr-un pachet de tole de grosime 0,5 care pot fi izolate sau neizolate. În crestăturile realizate prin ștanțare se introduce înfășurarea rotorică.

Dacă mașina asincronă are rotorul în scurtcircuit, atunci înfășurarea rotorică este de tipul coliviei și se realizează prin turnare din bare de cupru sau aluminiu scurtcircuitate la capete de două inele din același material. La mașinile a căror puteri sunt mari pentru a reduce curentul de pornire se folosesc colivii cu bare înalte sau colivii duble.

Înfășurarea rotorului se realizează cu același număr de poli ca asemănător înfășurării statorului și se construiește pentru rotorul în colivie ca înfășurare polifazată.

Întrefierul este spațiul de aer dintre miezul feromagnetic al rotorului și cel al statorului. La mașina asincrona lățimea întrefierului se consideră că este constantă (dacă deschiderea crestăturilor este neglijată) și poate aveam o valoare foarte mică (de la 0,1…..2 mm) în vederea obținerii unui curent de magnetizare cât mai redus, respectiv a unui factor de putere cât mai ridicat.

În cazul meu, mașina de inducție are o structură inversată, adică rotorul este în exterior, iar statorul în interior. Rotorul este în scurtcircuit (în colivie).

Principiul și regimurile de funcționare ale mașinii asincrone

În momentul în care bobinajului statoric este alimentat cu un sistem trifazat de tensiuni se formează un sistem de curenți de unde un câmp magnetic învârtitor. Acesta induce în conductoarele din rotor o tensiune electromotoare. În circuitul din rotor se formează curenți ce produc un câmp magnetic în același sens cu cel al câmpului statoric. Interacțiunea celor două câmpuri pune în mișcare rotorul în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numește asincron pentru că turația rotorului (n) este întotdeauna mai mică (pentru regimul de motor) decât turația câmpului magnetic învârtitor, denumită și turație de sincronism (n1) . Dacă cele două turații ar fi egale atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducție electromagnetică, nu s-ar mai induce curenți în rotor și motorul nu ar mai dezvolta cuplu.

f1- frecvența rețelei de alimentare

p – numărul de perechi de poli ai mașinii

Turația se poate modifica daca modificăm frecvența tensiunii de alimentare, numărul de perechi de poli sau alunecarea. Alunecarea este o mărime specific acestei mașini si este notată cu s:

n1 – turația de sincronism a mașinii

n – turația motorului

În următorul tabel se poate observa faptul că turațiile de sincronism n1 sunt în funcție de numărul de perechi de poli ai mașinii p, la frecvența industrială f1=50 Hz.

Mașina asincronă are trei regimuri în care poate funcționa:

Regimul de motor

Regimul de generator

Regimul de frână

Dintre toate cele trei regimuri în practică mașina asincrona este utilizata în majoritate cazurilor în regim de motor.

Regimul de motor realizează conversia energiei electrice (primita de la bornele înfășurării statorice) în energie mecanică transmisă la arborele mașinii.

Cele trei regimuri de funcționare ale mașinii asincrone pot fi vizualizare pe următorul grafic din caracteristica mecanică M=f(s)

Fig.3.2 Caracteristica mecanică a mașinii asincrone

Reglarea vitezei motoarelor asincrone

La motoarele asincrone regăsim o caracteristica mecanică dură, fapt care duce la o ineficientă în acționările unde se solicită o reglare a vitezei în limite largi.

În funcție de relația de mai sus se pot stabili două modalități de reglare a vitezei mașinii asincrone în funcție de partea motorului la care acționează:

Prima fiind metodă de acțiune asupra statorului unde ca metode pentru a putea regla viteza avem modificarea numărului de perechi de poli, tensiunii de alimentare și frecvența acesteia.

Cea de-a doua metodă de acțiune asupra statorului unde metodele de reglare a vitezei sunt introducerea în circuitul rotoric a unei tensiuni suplimentare de aceeași frecvență cu a tensiunii de alunecare, variația rezistenței circuitului rotoric.

Randamentul și cuplul motorului asincron

Puterea electrică absorbită de stator este definită de relația:

O parte din această putere se consumă sub formă de pierderi Joule în înfășurarea din stator:

dar și prin pierderi prin histerezis alături de pierderile prin curenți turbionari în stator (PFe).

Puterea rămasă reprezintă puterea electromagnetică transmisă rotorului: notată Pem, definită prin relația:

M – cuplul electromagnetic al mașinii

Ω1 – viteza unghiulară statorică

Din puterea electromagnetică primită de rotor se pierde o parte prin efectul Joule și în miezul rotoric:

Puterea ce rămâne este puterea mecanică transmisă spre rotor:

Puterea de la arbore (puterea utilă) se obține în urma scăderii din puterea mecanică a pierderilor mecanice datorate frecării și ventilației:

Figura 3.3 Diagrama de puteri a mașinii de inducție

Randamentul mașinii se determină cu formula:

P2 – puterea utilă la arbore

P1– puterea electrică absorbită

Randamentul nominal al mașinilor asincrone ia de obicei valori între 0.75 și 0.95 în funcție de puterea motorului și tipul constructiv al acestuia.

Cuplul mașinii asincrone

Cuplul electromagnetic M al motorului asincron apare prin acțiunea reciprocă dintre fluxul magnetic util și curentul rotoric. Fluxul se rotește în spațiu cu viteza unghiulară de rotație sincronă, puterea care v-a fi transmisă rotorului reprezintă puterea electromagnetică a mașinii:

Puterea mecanică a rotorului va fi:

Unde:

Deci pierderile din înfășurarea rotorului sunt proporționale cu alunecarea s.

În regim stabil de funcționare n=const., rotorul motorului asincron învinge cuplul static Ms.

Cuplul static este compus din cuplul de frânare la mers în gol M0 și cuplul de frânare M2 .Cuplul de frânare M2 v-a rezulta din relația:

Deci:

Cuplul de mers în gol M0 este format din suma dintre pierderile mecanice și pierderile suplimentare la viteza Ω:

Înfășurare și crestăturile rotorului

Similar cu înfășurarea statorului și înfășurarea rotorului prezintă o importanță deosebită în obținerea unor caracteristici de lucru superioare mașinii proiectate. Înfășurarea rotorului fiind în mișcare de rotație este supusă și unor solicitări mecanice.

Numărul de crestături

Înfășurarea rotoarelor în scurtcircuit mai poartă și denumirea de înfășurare în colivie. Pentru evitarea fenomenului de lipire la pornire numărul crestăturilor din rotor și stator trebuie sa fie diferite.

În tabelul 3.2 sunt prezentate numărul de crestături recomandate pentru motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit în funcție de numărul de crestături ai statorului.

Fig. 3.4 Alegerea numărului de crestături rotorice Z2

Diametrul exterior al rotorului se determină după relația:

Dimensionare crestăturilor

Tensiune electromotoare pe fază (t.e.m)

unde w1 și kw , sunt numărul de spire pe fază și factorul de înfășurare ale rotorului.

Curentul pe fază din rotor (curentul pe bară) se determină cu formula următoare:

INFLUENȚA GEOMETRIEI ASUPRA CARACTERISTICII MOTORULUI DE INDUCȚIE CU ROTOR EXTERIOR

Obiectul lucrării

Mașina aleasă , este o mașină de inducție, dar prin faptul că construcția sa este cu rotor exterior, are o structură inversată.

Datele mașinii, au fost preluate din programul SPEED , după care s-a facut anumite modificări, în structura rotorului .

Rotorul mașinii conține 23 de bare rotorice , la prima structură de forma rotunjită iar cel de a doua structură cu bare dreptunghiulare. În stator sunt situați 27 de dinți statorici.

Curentul de alimentare este de 10 A.

S-a lucrat în două regimuri de funcționar. Pentru partea cu analiza electromagnetică , s-a folosit modelare în regim staționar.

După parcurgerea pașiilor de proiectare și de simulare, s-a extras graficele în funcție de poziția rotorului.

Cu ajutorul programului s-a obținut pierderile prin fier pentru fiecare suprafață dorită, comanda fiind numită Bertotti iron losses.

După obținerea rezultatelor pierderilor prin fier , cu ajutorul valorilor pierderilor în regim staționar, s-a trecut la realizarea construcției mașinii, în regim tranzitoriu, pentru obținerea rezultatelor încălzirii al acestuia.

Proiectarea a motorului a avut ca scop dezvoltarea unui cuplu cât mai mare cu un conținut al riplurilor de cuplu cât mai mici și urmărirea încălzirii a mașinii în timpul funcționării.

Pentru acest studiu s-a facut analize dupa două structuri diferite, corespunzător a două structuri rotorice diferite atît din punctul de vedere al geometriei barelor rotorice, prezentate în Figura 4, cât și al materialului conductor al acestora (aluminiu, respectiv cupru).

Geometria barelor rotorice a fost modificată prin varierea diferitelor dimensiuni geometrice ale acesteia.

Rotorul 1

Rotorul 2 -Înălțimea barelor modificat

Rotorul 3 -Lățimea barelor modificat

Rotorul 4- Forma barei diferită

Rotorul 5 – Înălțimea istmului rotoric mai mică

Rotorul 6 – Fără istm rotoric

Figura 4. Structura rotoarelor

Prezentarea programului de calcul

Flux 12.1 este un software de elemente finite pentru simularea electromagnetică sau termică. Programul Flux 12.1 2D este un program care se ocupă de proiectarea și de analiza oricăror dispozitive electronice. Cu ajutorul programului prin prelucrarea rezultatelor numerice ale problemelor asociate unor modele, se evaluează principalele caracteristici ale mașinii.

Pentru a realiza un proiect cu elemente finite trebuia sa urmăm următori pași: construcția geometriei în Flux sau importarea, generarea mesh-ului, proprietăților fizice ale modelului, procesul de rezolvare și analiza rezultatelor în urma rezolvării.

Fig. 4.1 Cedrat Flux 12.1 2D

Construcția geometriei mașinilor de inducție

Primul pas pentru a putea începe construcția propriu-zisă a fost să aflăm diemnsiunile pe cale analitică cu ajutorul cărora să putem începe construcția mașinii

Mai jos avem ilustrată mașina sub forma finală pe desen fiind dimensionate cele trei diametrele: cel interior (178mm), cel exterior (230 mm) și cel al axului (130 mm).

Fig. 4.2 Geometria mașinii asincrone

Circuitul electric al mașinii de inducție

Circuitul electric se împarte în circuitul statorului și circuitul rotorului. Elementele acestui circuit sunt următoarele:

în stator avem rezistențele de fază ale înfașurarii statorice și inductanțele de scăpări

iar rotorul în colivie va avea la fel rezistențe și inductanțe de scăpări la valoari neraportate

Valorile care au fost atribuite rezistențelor și inductanțelor atât statorice cât și rotorice au fost obținute din calculele analitice aferente.

Toate cele trei surse de pe fiecare faza vor avea valoarea de 35 V dar defazajul va fi diferit pentru fiecare din ele. Faza A va avea un defazaj de 0 grade, defazajul fazei B va fi de -120 grade iar cel al fazei C va fi de 120 grade.

Mai jos avem ilustrat circuitul elctric al mașinii construit în programul Flux 12.1:

Fig 4.4 Circuitul electric al mașinii

Atribuirea fețelor și generarea mesh-ului

După finalizarea construcției cu ajutorul comenzii Build Faces s-au construit fețele, iar apoi

s-a atribuit fiecărei fețe regiunea specifica cu ajutorul comenzii Face Region.

Fig. 4.5 Reprezentarea fețelor și atribuirea regiunilor

După ce etapele anterioare au fost finalizate s-a putut genera si Mesh-ul, cu ajutorul comenzii Mesh Face.

Fig. 4.6 Mesh-ul obținut

Prin realizarea Mesh-ului s-au obținut următoare rezultate:

Regimul de funcționare staționar

Pentru analiza numerică a mașinii asincrone s-a ales regimul staționar de funcționare.În urma simulărilor produse de programul Flux2D 12.1 rezultatele obținute sunt datorită modificării poziției rotorului și a modificării unor parametrii geometrici.

La primele mașini, cu barele rotunjite, am folosit materialul FLU_ALUMINIU, iar la cele cu bare de forma dreptunghiulară, am folosit FLU_COPPER și pentru suprafețele statorului și al rotorului am folosit aliajul FLU_M270_35A.

Rezultate modificând poziția rotorului

Inducția magnetică în jugul rotoric și jugul statoric al mașinii:

Fig. 4.7 Harta de inducția în jugul rotoric și statoric

Liniile de flux la prima mașină.

Fig.4.8 Ilustrarea liniilor de flux

Densitatea de curent în barele crestăturilor rotorice:

Fig. 4.9 Densitatea de curent în barele rotorice

Rezultatele obținute la motorul de mai sus,sunt următoarele:

Variația curentului prin bobina A

Fig. 4.10 Variația curentului prin bobina A

Valoare curenților obținuți:

Tabel. 4.1

Variația puterii active :

Valoare puterei activă:

Tabel. 4.2

Fig. 4.11 Variația puterilor active prin motor

Puterea aparentă:

Fig.4.12 Variația puterilor aparente al mașinii

Valoarea puterii aparente

Tabel. 4.3

Cuplul electromagnetic:

Fig. 4.13 Variația cuplului electromagnetic

Valoarea cuplului mașinii

Tabel. 4.4

Rezultate prin modificarea înălțimii barelor rotorice

Inducția magnetică in jugul statoric si rotoric al mașinii la înălțimea barelor rotorice =13mm

Fig. 4.14 Harta de inducție în jugul rotoric si statoric hd=13mm

Liniile de flux la înălțimea barelor rotorice hd=13mm

Fig. 4.15 Ilustrarea liniilor de flux la hd=13mm

Inducția magnetică în jugul statoric și rotoric al mașinii la înălțimea barelor rotorice =17mm

Fig.4.16 Harta de inducție în jugul rotoric si statoric hd=17mm

Liniile de flux la înălțimea barelor rotorice hd=17mm

Fig.4.17 Ilustrarea liniilor de flux la hd=17mm

Variația puterii active:

Fig.4.18 Variația puterii active în funcție de înălțimea barelor

Valorile puterilor active obținuți prin simulare pentru fiecare conductor

Tabelul. 4.5 Valorile puterilor active în funcție de înălțimea barelor

Valorile puterilor aparente obținute prin simulare pentru fiecare conductor

Tabelul. 4.6 Valorile puterilor aparente în funcție de înălțimea barelor

Fig. 4.19 Variația puterii aparente în funcție de înălțimea barelor

Variația cuplului în funcție de înălțimea barelor rotorice

Fig. 4.20 Variația cuplului în funcție de înălțimea barelor rotorice

Valorile obținute prin simulare pentru cuplu la variația înălțimii

Tabelul. 4.7 Valorile cuplului în funcție de înălțime

O concluzie a acestor modificări are la bază faptul că performanțele cele mai bune ale mașinii sunt obținute în momentul în care înălțimea barelor rotorice are valoare 16mm, deci se dorește ca acesta sa fie cât mai apropiat de asta, pentru ca performanțele mașinii sa fie cât mai bune.

Rezultate prin modificarea lățimii barelor rotorice

Am modificat lățimea barei rotorice de la 10 mm la 7mm,și am rulat așa simularea,rezultatele sunt următoarele :

Fig. 4.21 Mașina de inducție cu bare rotorice cu lățime de 7mm

Fig. 4.22 Harta de inducție în jugul statoric și rotoric,cu bare de 7mm

Liniile de flux la mașina, cu bare cu lățimea de 7mm

Fig.4.23 Liniile de flux la lățimea barelor de 7mm

Variația puterii active:

Fig.4.24 Variația puterii active la lățimea barelor între 7-10mm

Valorile obținute la puterea activă pentru fiecare conductor

Tabelul. 4.8 Valorile puterilor active pe fiecare conductor

Variația puterii aparente în funcție cu lățimea barelor rotorice

Fig.4.25 Variația puterii aparente pe fiecare conductor

Valorile obținute la puterea aparentă pentru fiecare conductor

Tabelul 4.9 Valorile puterii aparente pe fiecare conductor

Variația cuplului in funcție de lățimea barei rotorice

Fig.4.26 Variația cuplului

Valorile obținuți pentru cuplul mașinii la variația lățimii barelor rotorice

Tabelul 4.10 Valorile cuplului prin mașină

Concluzia care o putem trage în urma acestor modificări este că în momentul în care micșorăm lățimea barelor rotorice performanțele scad destul de mult. Iar în cazul măririi lățimilor barelor rotorice observăm o înbunătățire a rezultatelor .

Rezultate prin modificarea formei barelor rotoric

La acest motor am modificat forma barelor din rotor, și materialul din care sunt construite barele rotorice: FLU_COPPER, rezultatele vor fi următoarele:

Fig.4.27 Reprezentarea fețelor mașinii

Fig.4.28 Reprezantarea mesh-ului mașinii

Inducția magnetica în jugul statoric si rotoric al mașinii

Fig. 4.29 Harta de inducție în jugul statoric și rotoric

Fig.4.30 Liniile de flux la forma barelor dreptunghiulara

Variația cuplului mașinii de inducție cu barele de forma dreptunghiulara

Fig. 4.31 Variația cuplului in funcție de poziția rotorului

Valorile obținute pentru cuplul mașinii :

Tabelul. 4.10 Valorile cuplului prin mașina cu bare dreptunghiular

În urma simulărilor se deosebește faptul că variația cuplului este destul de constantă.

Însă o concluzie interesantă se referă la cantitatea de material folosit pentru construirea jugului rotoric de unde s-a constatat un avantaj, acesta fiind reducerea de costuri.

Rezultate prin modificarea înălțimea istmului barelor rotorice

La aceasta mașina s-a modificat înălțimea istmului barelor rotorice, am făcut simulări cu înălțimea de 0,51 mm, 1,01mm si 1,51mm pentru a obține valori cât mai bune.

Fig.4.32 Reprezentarea fețelor mașinii

Inducția magnetică în jugul rotoric si statoric al mașinii:

Fig. 4.33 Harta de inducție în jugul statoric și rotoric

Liniile de flux magnetic prin mașina:

Fig.4.34 Liniile de flux al mașinii

Variantele de înălțimi ale istmului barelor rotorice:

Înălțimea de 0,51mm

Fig.4.35 Înălțimea istmului de 0,51mm

Înălțimea de 1,01mm

Fig.4.36 Înălțimea ismului de 1,01mm

Înălțimea de 1,51mm

Fig.4.37 Înălțimea istmului de 1,51mm

Variația cuplului în funcție de înălțimea istmului barelor rotorice:

Fig.4.38 Variația cuplului mașinii în funcție de înălțimea istmului

Valorile cuplului obținute prin simulare:

Tabelul.4.11 Valorile cuplului

Așadar după acest caz se poate observa faptul că odată cu creșterea valorii înălțimii barelor rotorice valoarea cuplului tinde să scadă

Rezultate prin eliminarea istmumului barelor rotorice

La mașina respectivă am eliminat istmul, rezultatele sunt următoarele:

Fig.4.39 Reprezantarea fețelor mașinii fără istm rotoric

Inducția magnetică în jugul rotoric si statoric al mașinii:

Fig. 4.40 Harta de inducție în jugul statoric si rotoric

Liniile de flux la mașina cu istm rotoric eliminat

Fig.4.41 Liniile de flux la mașina istm rotoric eliminat

Densitatea de curent în barele crestăturilor rotorice:

Fig. 4.42 Densitatea de curent în barele rotorice

Variația cuplului în funcție de poziția rotorului:

Fig.4.43 Variația cuplului în funcție de poziția rotorului

Valorile obținute al cuplului mașinii :

Tabelul.4.12 Valorile cuplului mașinii

Prin eliminarea istmului barelor rotorice, se observă faptul că valoare cuplului se stabilizează foarte rapid, care prezintă un avantaj.

Eliminanarea istmului, se referă la cantitatea de material folosit pentru construirea jugului rotoric de unde s-a constatat un avantaj, acesta fiind reducerea de costuri.

ÎNCĂLZIREA MOTORULUI DE INDUCȚIE CU ROTORUL EXTERIOR

Generalități privind încălzirea mașinii de inducție

Conversia electromecanică a energiei este însoțită totdeauna cu degajarea unei anumite cantități de căldură în mașina electrică, care apare datorită pierderilor ce se produc în mașină. Această căldură conduce la ridicarea temperaturii mașinii.

Transportul căldurii în interiorul și schimbul de căldură între mașină si mediul înconjurător sau în cadrul sistemelor de răcire se realizează prin trei modalități de baza:

a)      prin conducție, care se realizează prin contactarea directă a două corpuri – cantitatea de caldură cedată este proporțională cu supratemperatura

;                                                 (5.1)

b)      prin convecție, care se produce mai ales în cazul fluidelor în mișcare prin “deplasarea” unor macroelemente ale fluidelor – cantitatea de căldură cedată este data de relația

(5.2)

c)      prin radiație, care apare în cazul când transportul căldurii se realizează prin undele electromagnetice – cantitatea de căldură cedată se poate calcula cu relația

(5.3)

În realitate schimbul de căldură nu se face niciodată într-o singură variantă elementară – de exemplu, conducția este cel mai adesea însoțită de convecție sau invers; la mașini electrice radiația este, în general, nesemnificativă și de aceea într-o prima aproximație se poate spune că cantitatea de căldură cedată de mașina spre “exteriorul” sau este direct proporțională cu supratemperatura sa

(5.4)

Analiza termica a unei mașini electrice cuprinde însă, în principiu, două probleme:

– transmisia căldurii legată de transmisia acesteia de la o componentă a mașinii la altă și transmisia acesteia spre mediul ambient sau agentul de răcire, care se reduce la transmisia căldurii între două medii printr-un perete solid;

– evoluția supratemperaturii mașinii în timp în cazul proceselor tranzitorii (cazul sarcinilor variabile, opriri, porniri etc.).

Transmisia căldurii

La baza transmisiei căldurii stă legea lui Fourier exprimată prin relația

(5.5)

În care q este vectorul densității fluxului termic, in W/m2; grad T este gradientul de temperatură, iar  este coeficientul conductibilității termice; semnul minus semnifică faptul că sensul fluxului termic este acela spre temperaturi mai mici. Cantitatea totala de căldură transmisă prin suprafața F în intervalul de timpeste :

(5.6)

Procesele tranzitorii termice ale mașinilor electrice

La conversia electromagnetică a energiei în mașinile electrice se produc pierderi care conduc la încălzirea lor. Pe de altă parte aceasta încălzire este limitată, așa cum s-a prezentat deja, de menținerea calităților izolante  ale materialelor izolatoare utilizate în construcția mașinilor.

De aici necesitatea de a stabili legile de evoluție în timp a supratemperaturilor mașinilor electrice când variază sarcinile acestora – adică necesitatea studierii proceselor tranzitorii termice din mașinile electrice când acestea se găsesc în sarcină.

La prima mașină, cu barele rotunjite, am folosit materialul FLU_ALUMINIU, iar la cel cu bare de forma dreptunghiulară, am folosit FLU_COPPER,iar numărul barelor rotorice este 23.

Pentru suprafețele statorului și al rotorului am folosit aliajul FLU_M270_35A.

Rezultatele obținute al încălzirii mașinii de inducție cu rotor in exterior

Pentru obținerea rezultatelor al încălzirii mașinii de inducție, am folosit o mașină din capitolul 4, cu mici modificări în stator .

Structura mașinii, astfel devenind următorul:

Fig.5.1 Structura mașinii de inducție la încălzire

După ce etapele anterioare au fost finalizate s-a putut genera și Mesh-ul, cu ajutorul comenzii Mesh Face.

Fig.5.2 Mesh-ul obținut

Rezultatele mesh-ului:

Cu ajutorul comenzii isovalues,am obținut harta de încălzire al mașinii

Fig.5.3 Harta de încălzire al mașinii

Folosind comanda isolines am obținut rezultatul următor:

Fig.5.4 Liniile de încălzire prin mașina de inducție

Variația încălzirii în barele de aluminiu:

Fig 5.5 Variația încălzirii în barele de alumiu

Valorile obținute al încălzirii barelor rotorice

Tabelul 5.1 Valorile obținute în barele rotorice

Variația încălzirii într-o bobină al înfășurării statorice

Fig. 5.6 Variația temperaturii într-o bobină

Valorile obținute într-o bobină

Tabelul. 5.2 Valorile temperaturii într-o bobină

Variația temperaturii în jugul rotoric:

Fig. 5.7 Variația temperaturii în jugul rotoric

Valorile încălzirii în jugul rotoric

Tabelul.5.3 Valorile încălzirii în jugul rotoric

Variația temperaturii în jugul statoric:

Fig. 5.8 Variația temperaturii în jugul statoric

Valorile încălzirii în jugul rotoric

Tabelul.5.4 Valorile încălzirii în jugul statoric

Variația temperaturii într-un pol rotoric :

Fig. 5.9 Variația temperaturii într-un pol rotoric

Valorile încălzirii într-un pol rotoric

Tabelul.5.5 Valorile încălzirii într-un pol rotoric

Variația temperaturii într-un pol statoric :

Fig. 5.10 Variația temperaturii într-un pol statoric

Valorile încălzirii într-un pol statoric

Tabelul.5.6 Valorile încălzirii într-un pol statoric

Concluzia care o putem trage în urma acestor modificări este că temperatura variază în funcție de materialele folosite pentru fiecare suprafață,fiind direct proporțională cu densitatea de curent care trece prin suprafețele respective.

Rezultatele obținute al încălzirii mașinii de inducție cu bare rotorice de formă dreptunghiulara

Pentru obținerea rezultatelor al încălzirii mașinii de inducție, am folosit o mașină din

capitolul 4, cu mici modificări în stator și rotor.

Structura mașinii, astfel devenind următorul:

Fig.5.11 Structura mașinii de inducție la încălzire

După ce etapele anterioare au fost finalizate s-a putut genera și Mesh-ul, cu ajutorul comenzii Mesh Face.

Fig.5.12 Mesh-ul obținut

Rezultatele mesh-ului:

Cu ajutorul comenzii isovalues,am obținut harta de încălzire al mașinii

Fig.5.13 Harta de încălzire al mașinii

Folosind comanda isolines am obținut rezultatul următor:

Fig.5.14 Liniile de încălzire prin mașina de inducție

Variația încălzirii în barele de cupru:

Fig 5.15 Variația încălzirii în barele de cupru

Valorile obținute al încălzirii barelor rotorice

Tabelul 5.7 Valorile obținute în barele rotorice

Variația încălzirii într-o bobină al înfășurării statorice

Fig. 5.16 Variația temperaturii într-o bobină

Valorile obținute într-o bobină

Tabelul. 5.8 Valorile temperaturii într-o bobină

Variația temperaturii în jugul rotoric:

Fig. 5.17 Variația temperaturii în jugul rotoric

Valorile încălzirii în jugul rotoric

Tabelul.5.10 Valorile încălzirii în jugul rotoric

Variația temperaturii în jugul statoric:

Fig. 5.18 Variația temperaturii în jugul statoric

Valorile încălzirii în jugul rotoric

Tabelul.5.10 Valorile încălzirii în jugul statoric

Variația temperaturii într-un pol rotoric :

Fig. 5.19 Variația temperaturii într-un pol rotoric

Valorile încălzirii într-un pol rotoric

Tabelul.5.11 Valorile încălzirii într-un pol rotoric

Variația temperaturii într-un pol statoric :

Fig. 5.20 Variația temperaturii într-un pol statoric

Valorile încălzirii într-un pol statoric

Tabelul.5.12 Valorile încălzirii într-un pol statoric

CONCLUZII

În prima parte s-a prezentat un scurt istoric despre mașina asincronă obișnuită și calculele necesare pentru proiectarea lor.

Ca prim obiectiv a fost comparația între două mașini asincrone cu rotorul exteriror, una în construcție cu barele rotorice rotunjite și confecționate din aluminiu iar ce-a de a doua în construcție cu barele rotorice de forma dreptunghiulară confecționate din cupru.

În urma comparației mașina cu rotor exterior și cu barele rotorice dreptunghiulare din cupru, prezintă rezultate mai bune.

Cele mai importante aspecte ca urmare a rezultatelor sunt prezentate mai jos:

În primul caz, s-a realizat simulările în regimul staționar, pentru a obține rezultate legate de partea electromagnetică: cupluri, puteri.

Prin realizarea modificărilor legate de construcția rotorului, am obținut rezultate diferite în fiecare caz. În primul caz s-a luat o mașină de referință, și prin modificarea înălțimii barelor rotorice, sau prin lățimea lor, sau modificând înălțimea sau lățimea istmului, rezultatele sunt diferite față de mașina de referință .

În cazul în care s-a modificat forma barelor, și materialul din care va fi construită, rezultatele se modifică față de mașina de referință sau de rezultatele obținute prin modificările făcute mai devreme. Rezultatele fiind reprezentate în capitolul 4 .

Pentru realizarea simulărilor de încălzire al mașinii de inducție cu rotor în exterior, am lucrat în regim tranzitoriu.

În cazul încălzirii s-a preluat două modele din capitolul cu simulările câmpului electromagnetic, una fiind construită cu bare rotunjite din alumiu, iar cea de a doua mașină cu bare dreptunghiulare din cupru. Pentru obținerea rezultatelor mai precise, s-a desenat și înfășurările statorice. Prin fiecare dinte statoric sunt trecute 20 de înfășurări.

Cu ajutorul senzorilor plasați prin mașină în diferite puncte, s-a obținut rezultatele la încălzirea mașinii în punctele respective,cum se poate observa în capitolul 5.

Prin modelarea numerică a unei mașini îi putem evalua performanțele structurilor electromagnetice si proprietatile la incalzire, iar în cazul validării acestor pot permite proiectarea lor.Totodată mai poate aparea si cazul în care mașina nu este la performanțele dorite iar atunci putem face unele modificări analitice care ne pot ajuta să ajungem la performanțele dorite.

BIBLOGRAFIE

[1] CONSTANTIN BĂLĂ, Mașini electrice, EDP București, 1982.

[2] CIOC, I., BICHIR, N., CRISTEA, N., Mașini electrice. Îndrumar de proiectare, vol. I, II, III, Editura Scrisul Românesc, Craiova, 1981.

[3] FLUX 2D Application, Generic tutorial of geometry and mesh, CEDRAT, February 2006.

[4] Induction Machine Calculations& Constructing the Model in FLUX 2D, Magsoft Corporation, 2006

[5] FLUX 2D Application, Induction Motor Technical Paper, CEDRAT, May 2006.

[6]  Mașini electrice, E. C. Teodoru, M. Gogu, Rotaprint U. T. "Gh. Asachi" Iași, 2000.

[7] D.C. Popa, D. Fodorean – Design and performances evaluation of a high speed induction motor used for the propulsion of an electric vehicle, 2014 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 2014, Ischia, Italy, pp. 88 – 93.

[8] D. Fodorean, D.C. Popa, P. Minciunescu, C. Irimia, L. Szabo – Study of a high-speed motorization for electric vehicle based on PMSM, IM and VRSM, Proceedings of the 2014 International Conferences on Electrical Machines (ICEM), Berlin, Germania, 2014, pp. 2577 – 2582.

[9] Aurel Câmpeanu, Vasile Iancu, Mircea M. Rădulescu- Mașini în acționărielectrice – Editura Scrisul Românesc, Craiova, 1996.

[10] D.C. Popa, D. Fodorean – Electrical Machines Solutions for Air Conditioning System in Automotive Industry, Proceedings of EPE 2016 Iasi, Romania, paper