1.Capacele de ventilație a motoarelor de inducție cu răcire 1.1 Scopul lucrării Lucrarea are ca și scop alegerea cărui tip de orificiu (rotund sau… [610982]

1.Capacele de ventilație a motoarelor de inducție cu răcire

1.1 Scopul lucrării
Lucrarea are ca și scop alegerea cărui tip de orificiu (rotund sau pătrat) este mai
eficient în cazul motoarelor de inducție cu răcire, în scopul de a obține o creștere a debitului
de aer. Analiza începe de la un ventilator cu orificii pătrate și se dorește să se arate faptul că
este posibilă îmbunătățirea debitului de aer. Parametrul de eficiență ales este coeficientul de
debit, care este calculat folosind calculul dinam icii fluidelor computaționale.
1.2 Introducere
Analiza termică are o importanță majoră în cazul proiectării unei mașini electrice, în
special în cazul unui motor cu inducție închis, așa cum se poate observa în Figura 1.1.

Fig. 1.1 – Tipul motorului studiat

Acest tip de mașină electrică are ca și dezavantaj o răcire deficitară deoarece căldura
este eliminată doar prin capacul de protecție al motorului. Pin urmare, aerul trebuie să fie
suflat peste clemele de prindere ale carcasei cu o viteză si un debit care vor trebui să asigure
trasferul de căldură prin convecție. Debitul de aer poate fi dirijat printr -un ventilator exterior
(așa cum se poate vedea în Figura 1.2) sau printr -un vetilator montat în axul motorului.
Capacul ventilatorului are două fu ncții: protecția impotriva intrării obiectelor mici sau a
activității umane si direcționarea aerului de ventilator în interiorul capacului.
Principalul obiectiv din cadrul acestui studiu este reprezentat de optimizarea
procesului de răcire prin minimizarea consumului de energie necesar înlăturării căldurii, lucru
care va crește debitul de aer pentru aceeasi suprafață a capacului ventilatorului, indiferent de
forma acestuia.
Componenta puterii mecanice dezvoltate de motorul electric pentru procesul de racire
este in relație directă cu debitul de aer volumetric aspirat de ventilator. Dar din cauza vitezei
și a viscozității, aerul care rezultă nu este întotdeauna de ajuns pentru întreg debitul
volumetric care intră în orificii, adică liniile de flux la ieșire a din orificii nu ocupă toata
suprafața acestora (așa cum se întămplă cu partea de intrare). Acest fenomen se numește
”Vena contracta”.

Fenomenul de ”Vena contracta” reprezintă punctul dintr -un flux de fluid unde
diametrul fluxului este minim și viteza m aximă, fiind un loc în care secțiunea transversală este
minimă, precum se poate observa și în Figura 1.2. –de adaugat ca referinta

Fig.1.2 – Vena contacta
Efectul acestui fenomen se poate observa în fluxul dintr -un rezervor intr -o conductă,
sau în cazu l unei contracții bruște a diametrului unei conducte. Liniile de curent converg doar
în aval de schimbarea diametrului, așa cum se poate observa în Figura 1.3.

Fig. 1.3 – Demonstrație a feomenului de Vena contracta
Motivul pentru care apare acest fenome n este că fluxurile de fluid nu pot schimba
brusc direcția. În cazul jetului liber și al schimbării bruște a diametrului unei conducteliniile
de curent nu mai pot urmări îndeaproape unghiul ascuțit din peretele țevii sau al rezervorului.
Liniile de curent covergente urmează astfel o cale netedă, care va avea ca rezultat îngustarea
jetului (sau a debitului primar al conductei) observat.
Parametrul utilizat pentru evaluarea suprafeț elor contractate este coeficientul de debit,
care pentru fluide ideale, este egal cu coeficientul de contracție.
În cazul unei mișcări permanente, debitul volumetric poate fi estimate prin relația:

Ǫ=μcūS
(1.1)

Unde:
μc – coeficientul de debit
ū – [m/s] reprezintă vitza medie a debitului în secțiune transversală
S – [m2] reprezintă suprafața secțiunii transversale

Studiile dezvoltate abordeză creșterea coeficientului de curgere. Prin urmare, sunt
luate în considerare două etape de optimazare. În primul rând se selectează o formă de orificiu
cu un coefient de debit mai mare, suprafața orificiului fiind aceeași indiferent de forma sa. În
a doua etapă de optimizare se ia in considerare îmbunătățirea marigin ilor orificiilor pentru a
creștere coeficientul de curgere, respective debitul de aer prin grila de protecție a
ventilatorului.

2.1 Modelul geometric
Schema cu orificii pătrate reprezentată în Figura 1.2 este cea prezentată în Figura
1.1. Schema capaculu i ventilatorului cu orificii rotunde (Figura 1.2, partea dreaptă) a fost
obținută prin aplicarea aceluiași număr de cercuri ca și pătratele (48 elemente), în timp ce
fiecare cerc are aceeași suprafață ca cea a unui pătrat (64 mm2). Făcând acest lucru, sup rafața
totală a fluxului de aer rămâne aceeași pentru ambele cazuri. Practic, datorită limitărilor
tehnologice, suprafața totală a orificiilor rotunde este mai mică, deoarece diametrul este de 9
mm (în loc de 9,03 mm), ceea ce dă un total de 3053,63 mm2 fa ță de 3072 mm2 pentru pătrat.
Mai mult decât atât, pentru orificiul rotund este prezentată o a doua analiză, care corespunde
marginilor rotunjite ale orificiului atât la partea de intrare cât și la ieșire.

Fig. 1.4 – Schema celor doua tipuri de găuri ale ventilatorului analizat

Analiza este simplifcată considerând doar un singur orificiu, iar datorita geometriei
simetrice a formei orificiilor, se condideră doar un sfert.
În Figura 1.3 este prezentat domeniul numeric 3D de calcul. Se prezintă doar domeniul
fluidelor pentru cazul orificiului de formă pătrată. Se poate observa intrarea (partea
superioară), amprenta rețelei din interiorul domeniului fluidului și ieșirea (partea
descendentă).

În figura 1.4 este prevăzut un zoom pentru fiec are tip de formă de orificiu considerat.
Astfel, în partea superioară este prezentată geometria formei pătrate, la mijloc geometria
formei rotunde, în timp ce la partea de jos este geometria formei rotunde cu filet.

Fig.1. 5 – Domeniul 3D de calcul pentru cazul orificiului de formă pătrată

Fig.1. 6 – Detaliu orificii analizate

1.2 Modelul matematic

Cum feneomenul studiat este legat de curgerea fluidelor, modelul matematic se
regăsește în carțile de specialita te. Debitul se consider a fi constat și incomprensibil, vitezele
implicat având valori scăzute. Astfel, fluxul de aer prin gaurile ventilatorului este descries de
aceleași ecuații care descriu fluxul oricărui fluid. Prima ecuație este ecuația de continuat e sau
ecuația de transport și este dată de următoare ecuație diferențială compactă:

𝛻 𝜌𝑢 =0
(1.2)
Unde:
𝑢 este viteza locală în [m/s]
𝜌 este desitatea fluidului în [kg/m3]
Cea de -a doua ecuație folosită este cea lui Navier -Stokes, numită și ecuația de transport:

𝜌 𝜕𝒖
𝜕𝑡+ (𝒖∙∇)∙𝒖 = −∇𝑝+𝜇∇2𝒖 (1.3)

Unde:
𝑝 este presiunea în [Pa]
𝜇 este viscozitatea dinamică a fluidului în [kg/m/s ]
∇2 este operatorul Laplace
𝑢 este viteza locală în [m/s]
𝜌 este desitatea fluidului în [kg/m3]

Coeficientul de curgere este obținut pe baza spectrului hidrodinamic al curgerii. Având în
vedere contracția liniilor de flux si neglijând pierderile hidraulice locale, coeficientul de
curgere este obținut ca fiind raportul dintre suprafața contractată și suprafața geometric a
orificiului, indiferent de forma pătrată, forma rotundă sau orificiul rotund.
În tabelul 1.2 sunt prezentate valorile acestui coeficient pentru un flux de aer de 4
m/s, aplic ație care se va studia pe parcursul acestei lucrări.

Profil orificiu Suprafața
orificiului Suprafața
contractată Coeficient de
contracție
m2 m2
Pătrat 6.40E -05 4.59E -05 0.72
Rotund 6.40E -05 4.87E -05 0.76
Rotund cu muchii teșite
prin racordare 6.40E -05 5.42E -05 0.85

Tabelul 1.2 – Valorile coeficientului de contracție pentru un flux de aer de 4 m/s

Aceste valori demonstrează că orificiul de formă rotundă este mai eficient decât cel
pătrat, având aceeași suprafață de vehiculare a fluidului. În ceea ce privește orificiul cu formă
rotundă, este evident că forma prelucrată pe ambele părți este chiar și mai eficientă.
În Figura 1.6 este prezentat spectrul hidrodinamic al debitului în cazul unui orificiu pătrat (4
m/s la partea de intra re). Vitezele create după colțurile pătratului nu sunt deloc utile pentru
ventilatorul de racire montat pe arbore. Flxul de aer ar trebui direcționat cât mai mult posibil
către ventilator. Astfel, un asemea tip de orificiu nu este adecvat pentru ventilator ul de răcire.

Fig 1.7 – Aspectul liniilor de curent pentru circulația aerului printr -un orificiu pătrat

În figura 1.6 sunt date trei secțiuni transversale ale fluxului de aer: în mijlocul orificiului, la 1
mm, 2 mm si 3 mm distanță de secțiunea intermediară, pe axa X.

Fig 1.8 – Aspectul liniilor de curent pentru circulația aerului printr -un orificiu rotun d

În Figura 1.8 este prezentat același spectru hidrodinamic pentru orificiul de formă
rotundă. Se observă că în aceleași condiții vârtejurile sunt atât de mici încât sunt greu de
vâzut, ceea ce reprezintă un avantaj important în ceea ce privește fluxul de aer.

Fig 1.9 – Aspectul liniilor de curent pentru circulația aerului printr -un orificiu rotund
cu muchii teșite

Un pas foarte important în ceea ce privește optimizarea fluxului de aer, se
poate observa în Figura 1.8 unde este dat spectrul hi drodinamic pentru același orificiu rotund,
dar rotunjit pe ambele părți, raza prelucrată fiind de 2 mm. După această modificare in
geometria orificiului, se poate observa o îmbunătățire imediată a circulației fluxului de aer.
Contrația debitului de aer est e mai mică, iar coeficientul de curgere este mai mare, acest tip de
orificiu optimizat fiind cel mai indicat.
Toate rezultatele de pâna acum arată că un orificiu rotund este o alegere mai buna în
detrimentrul celorlalte. În acest sens, se poate face o îmb unătățire suplimentară pentru capacul
ventilatorului analzat Acest lucru va crește numărul de orificii rotunde cu aceeași suprafață ca
a unui orificu pătrat. Rezultatul se poate verifica în Figura 1.9. Numărul de orificii crește la
54, față de 48 așa cum s -a arătat anterior. Suprafața totală este mărită la 3.435,33 mm2, cu
aproape 12% mai mare decât capacul ventilatorului cu orificiu pătrat.

Fig 1.10 – Ultima etapă de optimizare a capacului ventilatorului cu creșterea numărului de
găuri rotunde peste sup rafața carcasei ventilatorului

1.5 Concluzii

Pentru determinarea coeficientului de curgere au fost alese diferite forme ale
orificiilor, fiind efectuată o comparație finală.
Spectrele hidrodinamice variabile sunt prezentate pentru a sublinia fenomenul de "Vena
contracta".
S-a arătat astfel ca orificiul de formă pătrată generează vârtejuri care reprezintă o perturbare a
fluxului de aer si s -a concluzionat că acest lucru este un alt motiv pentru care se preferă
orificiile rotunde. Prin creșterea valorilor coeficientului de curgere va fi observată o creștere a
debitului. Suprafața secțiunii prin care trece debitul de aer a fost mărită prin aranjarea intr -o
manieră optimă a ori ficiilor, ceea ce adus la creșterea numărului acestora și în același timp și
la creșterea vitezei de curgere a fluidului de răcire.
Se poate concluziona astfel, că toate studiile efectuate și procedurile de optimizare
sunt pe deplin justificate si pot sa îmbunătățească eficiența răcirii motorului electric.

1.Capacele de ventilație a motoarelor de inducție cu răcire

1.1 Scopul lucrării
Lucrarea are ca și scop alegerea cărui tip de orificiu (rotund sau pătrat) este mai
eficient în cazul motoarelor de inducție cu răcire, în scopul de a obține o creștere a debitului
de aer. Analiza începe de la un ventilator cu orificii pătrate și se dorește să se arate faptul că
este posibilă îmbunătățirea debitului de aer. Parametrul de eficiență ales este coeficientul de
debit, care este calculat folosind calculul dinamicii fluidelor computaționale.
1.2 Introducere
Analiza termică are o importanță majoră în cazul proiectării unei mașini electrice, în
special în cazul unui motor cu inducție închis, așa cum se poate observa în Figura 1.1.

Fig. 1.1 – Tipul motorului studiat

Acest tip de mașină electrică are ca și dezavantaj o răcire deficitară deoarece căldura
este eliminată doar prin capacul de protecție al motorului. Pin urmar e, aerul trebuie să fie
suflat peste clemele de prindere ale carcasei cu o viteză si un debit care vor trebui să asigure
trasferul de căldură prin convecție. Debitul de aer poate fi dirijat printr -un ventilator exterior
(așa cum se poate vedea în Figura 1 .2) sau printr -un vetilator montat în axul motorului.
Capacul ventilatorului are două funcții : protecția impotriva intrării obiectelor mici sau a
activității umane si direcționarea aerului de ventilator în interiorul capacului.
Principalul obiectiv din cad rul acestui studiu este reprezentat de optimizarea
procesului de răcire prin minimizarea consumului de energie necesar înlăturării căldurii, lucru
care va crește debitul de aer pentru aceeasi suprafață a capacului ventilatorului, indiferent de
forma acestu ia.
Componenta puterii mecanice dezvoltate de motorul electric pentru procesul de racire
este in relație directă cu debitul de aer volumetric aspirat de ventilator. Dar din cauza vitezei
și a viscozității, aerul care rezultă nu este întotdeauna de ajuns pentru întreg debitul
volumetric care intră în orificii, adică liniile de flux la ieșirea din orificii nu ocupă toata

suprafața acestora (așa cum se întămplă cu partea de intrare). Acest fenomen se numește
”Vena contracta”.
Fenomenul de ”Vena contracta” reprezintă punctul dintr -un flux de fluid unde
diametrul fluxului este minim și viteza maximă, fiind un loc în care secțiunea transversală este
minimă, precum se poate observa și în Figura 1.2. –de adaugat ca referinta

Fig.1.2 – Vena contacta
Efectul ac estui fenomen se poate observa în fluxul dintr -un rezervor intr -o conductă,
sau în cazul unei contracții bruște a diametrului unei conducte. Liniile de curent converg doar
în aval de schimbarea diametrului, așa cum se poate observa în Figura 1.3.

Fig. 1 .3 – Demonstrație a feomenului de Vena contracta
Motivul pentru care apare acest fenomen este că fluxurile de fluid nu pot schimba
brusc direcția. În cazul jetului liber și al schimbării bruște a diametrului unei conducteliniile
de curent nu mai pot urmări îndeaproape unghiul ascuțit din peretele țevii sau al rezervorului.
Liniile de curent covergente urmează astfel o cale netedă, care va avea ca rezultat îngustarea
jetului (sau a debitului primar al conductei) observat.

Parametrul utilizat pentru evaluarea suprafeț elor contractate este coeficientul de debit,
care pentru fluide ideale, este egal cu coeficientul de contracție.
În cazul unei mișcări permanente, debitul volumetric poate fi estimate prin relația:

Ǫ=μcūS
(1.1)

Unde:
μc – coeficientul de debit
ū – [m/s] reprezintă vitza medie a debitului în secțiune transversală
S – [m2] reprezintă suprafața secțiunii transversale

Studiile dezvoltate abordeză creșterea coeficientului de curgere. Prin urmare, sunt
luate în considerare două etape de optimazare. În primul rând se selectează o formă de orificiu
cu un coefient de debit mai mare, suprafața orificiului fiind aceeași indiferent de forma sa. În
a doua etapă de optimizare se ia in considerare îmbunătățirea mariginilor orificiilor pentru a
creștere coeficientul de curgere, respective debitul de aer prin grila de protecție a
ventilatorului.

2.1 Modelul geometric
Schema cu orificii pătrate reprezentată în Figura 1.2 este cea prezentată în Figura
1.1. Schema capacului ventilatorului cu orificii rotunde (Figura 1.2, partea dreaptă) a fost
obținută prin aplicarea aceluiași număr de cercuri ca și pătratele (48 elemente ), în timp ce
fiecare cerc are aceeași suprafață ca cea a unui pătrat (64 mm2). Făcând acest lucru, suprafața
totală a fluxului de aer rămâne aceeași pentru ambele cazuri. Practic, datorită limitărilor
tehnologice, suprafața totală a orificiilor rotunde e ste mai mică, deoarece diametrul este de 9
mm (în loc de 9,03 mm), ceea ce dă un total de 3053,63 mm2 față de 3072 mm2 pentru pătrat.
Mai mult decât atât, pentru orificiul rotund este prezentată o a doua analiză, care corespunde
marginilor rotunjite ale or ificiului atât la partea de intrare cât și la ieșire.

Fig. 1.4 – Schema celor doua tipuri de găuri ale ventilatorului analizat

Analiza este simplifcată considerând doar un singur orificiu, iar datorita geometriei
simetrice a formei orificiilor, se condideră doar un sfert.
În Figura 1.3 este prezentat domeniul numeric 3D de calcul. Se prezintă doar domeniul
fluidelor pentru cazul orificiului de formă pătrată. Se poate observa intrarea (partea

superioară), amprenta rețelei din interiorul domeniului fluidului și ieșirea (partea
descendentă).
În figura 1.4 este prevăzut un zoom pentru fiecare tip de formă de orificiu considerat.
Astfel, în partea superioară este prezentată geometria formei pătrate, la mijloc geometria
formei rotunde, în timp ce la partea de jos este geometria formei rotunde cu filet.

Fig.1. 5 – Domeniul 3D de calcul pentru cazul orificiului de formă pătrată

Fig.1. 6 – Detaliu orificii analizate

1.2 Modelul matematic

Cum feneomenul studiat este legat de curgerea fluidelor, modelul matematic se
regăsește în carțile de specialitate. Debitul se consider a fi constat și incomprensibil, vitezele
implicat având valori scăzute. Astfel, fluxul de aer prin gaurile ventilatorului este descries de
aceleași ecuații care descriu fluxul oricărui fluid. Prim a ecuație este ecuația de continuate sau
ecuația de transport și este dată de următoare ecuație diferențială compactă:

𝛻 𝜌𝑢 =0
(1.2)
Unde:
𝑢 este viteza locală în [m/s]
𝜌 este desitatea fluidului în [kg/m3]
Cea de -a doua ecuație folosită este cea lui Navier -Stokes, numită și ecuația de transport:

𝜌 𝜕𝒖
𝜕𝑡+ (𝒖∙∇)∙𝒖 = −∇𝑝+𝜇∇2𝒖 (1.3)

Unde:
𝑝 este presiunea în [Pa]
𝜇 este viscozitatea dinamică a fluidului în [kg/m/s ]
∇2 este operatorul Laplace
𝑢 este viteza locală în [m/s]
𝜌 este desitatea fluidului în [kg/m3]

Coeficientul de curgere este obținut pe baza spectrului hidrodinamic al curgerii. Având în
vedere contracția liniilor de flux si neglijând pierderile hidraulice locale, coeficientul de
curgere este obținut ca fiind raportul dintre suprafața contractată și suprafața geometric a
orificiului, indiferent de forma pătrată, forma rotundă sau orificiul rotund.
În tabelul 1.2 sunt prezentate valorile acestui coeficient pentru un flux de aer de 4
m/s, aplicație care se va studia pe parcursul acestei lucrări.

Profil orificiu Suprafața
orificiului Suprafața
contractată Coeficient de
contracție
m2 m2
Pătrat 6.40E -05 4.59E -05 0.72
Rotund 6.40E -05 4.87E -05 0.76
Rotund cu muchii teșite
prin racordare 6.40E -05 5.42E -05 0.85

Tabelul 1.2 – Valorile coeficientului de contracție pentru un flux de aer de 4 m/s

Aceste valori demonstrează că orificiul de formă rotundă este mai eficient decât cel
pătrat, având aceeași suprafață de vehiculare a fluidului. În ceea ce privește orifici ul cu formă
rotundă, este evident că forma prelucrată pe ambele părți este chiar și mai eficientă.
În Figura 1.6 este prezentat spectrul hidrodinamic al debitului în cazul unui orificiu pătrat (4
m/s la partea de intrare). Vitezele create după colțurile pă tratului nu sunt deloc utile pentru
ventilatorul de racire montat pe arbore. Flxul de aer ar trebui direcționat cât mai mult posibil
către ventilator. Astfel, un asemea tip de orificiu nu este adecvat pentru ventilatorul de răcire.

Fig 1.7 – Aspectul liniilor de curent pentru circulația aerului printr -un orificiu pătrat

În figura 1.6 sunt date trei secțiuni transversale ale fluxului de aer: în mijlocul orificiului, la 1
mm, 2 mm si 3 mm distanță de secțiunea intermediară, pe axa X.

Fig 1.8 – Aspectul liniilor de curent pentru circulația aerului printr -un orificiu rotund

În Figura 1.8 este prezentat același spectru hidrodinamic pentru orificiul de formă
rotundă. Se observă că în aceleași condiții vârtejurile sunt atât de mici încât sunt greu de
vâzut, ceea ce reprezintă un avantaj important în ceea ce privește fluxul de aer.

Fig 1.9 – Aspectul liniilor de curent pentru circulația aerului printr -un orificiu rotund
cu muchii teșite

Un pas foarte important în ceea ce privește optimizar ea fluxului de aer, se
poate observa în Figura 1.8 unde este dat spectrul hidrodinamic pentru același orificiu rotund,
dar rotunjit pe ambele părți, raza prelucrată fiind de 2 mm. După această modificare in
geometria orificiului, se poate observa o îmbunăt ățire imediată a circulației fluxului de aer.
Contrația debitului de aer este mai mică, iar coeficientul de curgere este mai mare, acest tip de
orificiu optimizat fiind cel mai indicat.
Toate rezultatele de pâna acum arată că un orificiu rotund este o ale gere mai buna în
detrimentrul celorlalte. În acest sens, se poate face o îmbunătățire suplimentară pentru capacul
ventilatorului analzat Acest lucru va crește numărul de orificii rotunde cu aceeași suprafață ca
a unui orificu pătrat. Rezultatul se poate ve rifica în Figura 1.9. Numărul de orificii crește la
54, față de 48 așa cum s -a arătat anterior. Suprafața totală este mărită la 3.435,33 mm2, cu
aproape 12% mai mare decât capacul ventilatorului cu orificiu pătrat.

Fig 1.10 – Ultima etapă de optimizare a capacului ventilatorului cu creșterea numărului de
găuri rotunde peste suprafața carcasei ventilatorului

1.5 Concluzii

Pentru determinarea coeficientului de curgere au fost alese diferite forme ale
orificiilor, fiind efectuată o comparație finală.
Spectrele hidrodinamice variabile sunt prezentate pentru a sublinia fenomenul de "Vena
contracta".
S-a arătat astfel ca orificiul de formă pătrată generează vârtejuri care reprezintă o perturbare a
fluxului de aer si s -a concluzionat că acest lucru este un alt motiv pentru care se preferă
orificiile rotunde. Prin creșterea valorilor coeficientului de curgere va fi observată o creștere a
debitului. Suprafața secțiunii prin care trece debitul de aer a fost mărită prin ara njarea intr -o
manieră optimă a orificiilor, ceea ce adus la creșterea numărului acestora și în același timp și
la creșterea vitezei de curgere a fluidului de răcire.
Se poate concluziona astfel, că toate studiile efectuate și procedurile de optimizare
sunt pe deplin justificate si pot sa îmbunătățească eficiența răcirii motorului electric.