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Refroidissement du moteur électrique
Aug 22, 2017

Le refroidissement d'un moteur électrique est étudié dans cet exemple.    Le moteur se compose de pièces rotatives et fixes.    Il chauffe en raison du transfert de chaleur du moteur sur lequel il est monté et en raison du chauffage par friction dans les paliers d'arbre.    Le refroidissement est réalisé par des bobines montées dans le boîtier et dans une moindre mesure par l'entrefer entre les composants rotatifs et stationnaires

Les résultats suggèrent qu'un refroidissement supplémentaire est requis pour cette conception particulière de moteur et de support de moteur.

 

La tâche de la production d'énergie distribuée est généralement réalisée par un groupe électrogène constitué d'un moteur à combustion interne (IC) couplé à un moteur électrique. Le refroidissement des moteurs électriques est une tâche difficile. En plus de la chaleur dégagée par les bobines, les moteurs reçoivent un flux de chaleur supplémentaire provenant du moteur thermique intégré. L'entrefer, qui est confiné entre le rotor et les composants stationnaires (stator et boîtier), est généralement très petit et ne contribue pas de manière significative au processus de refroidissement.

Lorsque c'est le cas, l'eau de refroidissement circule à travers les bobines dans le boîtier du moteur pour dissiper la chaleur.   Cet exemple simule une telle situation et prédit la répartition de la charge thermique sur divers composants du moteur électrique. Les résultats de calcul fournissent un aperçu détaillé du processus de refroidissement du moteur, et peuvent être utilisés pour guider la conception de stratégies alternatives pour refroidir efficacement le moteur.

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En utilisant FLUENT, un secteur périodique de 30 degrés du moteur est analysé.    Le domaine de calcul (Figure 1) se compose de l'arbre du moteur, du rotor, du stator, des aimants, du carter du moteur et des adaptateurs d'arbre et de carter, qui sont utilisés pour boulonner le moteur au moteur. Le stator, non représenté sur la figure, se trouve à l'intérieur du rotor et du boîtier, s'étendant de la région située au-dessous des aimants à la région à l'intérieur de la partie extérieure du carter du moteur. Il a une coupe transversale avec la forme du   lettre "I".    À l'exception du stator, tous les composants du moteur solide sont simulés comme des murs conducteurs (zones pleines), tout au long de laquelle l'équation d'énergie est résolue.

Le rotor est séparé du carter du moteur et du stator par un entrefer (bleu). Il contient une paire d'aimants (rouge) qui tourne avec le rotor. Le moteur est boulonné au moteur à l'aide du boîtier et des adaptateurs d'arbre. Les boulons utilisés pour effectuer les connexions, avec des sections transversales en vert, transfèrent une quantité importante de chaleur du moteur au moteur. Les joints entre les adaptateurs et les supports du moteur sont utilisés pour minimiser ce transfert de chaleur.

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Les conditions aux limites de transfert de chaleur par convection sont appliquées sur les surfaces extérieures du boîtier. Les serpentins de refroidissement, montés dans le carter du moteur, sont également modélisés en utilisant cette condition aux limites. Les températures sont spécifiées sur les surfaces de l'adaptateur. Les faces des surfaces de l'adaptateur recouvertes de joints sont modélisées à l'aide de la condition de limite de résistance thermique à paroi mince. Cette condition limite spéciale permet une couche mince   du matériau conducteur (le joint) entre la limite externe (le moteur) et les zones de fluide ou de paroi conductrice (les adaptateurs) à l'intérieur du domaine.    Les surfaces de connexion des boulons circulaires sont décrites par des conditions aux limites de température constante.    Les surfaces du stator sont traitées comme des limites externes avec une température variable dans la direction radiale.

La figure 2 montre les courbes de température sur l'arbre et le carter du moteur.    Les contours de température illustrent l'influx thermique de ces composants provenant du moteur. Les contours de la température sur le rotor sont montrés dans la figure 3. Une température plus élevée peut être vue dans le coin inférieur droit (et dans une moindre mesure, le coin inférieur gauche) du rotor. Ceci est principalement dû au chauffage de l'adaptateur d'arbre, et en partie à cause de la source de chaleur qui est incluse pour représenter le chauffage par friction sur le site des paliers d'arbre. Les contours de température sur les aimants sont montrés sur la figure 4. Ils illustrent que les régions les plus proches du moteur (en bas à droite) reçoivent un refroidissement insuffisant par rapport à ceux d'ailleurs.

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En résumé, une analyse CFD d'un moteur électrique monté sur un moteur thermique a montré que les serpentins d'eau sont efficaces pour refroidir seulement une partie de la section du moteur - ce qui

est plus éloigné du moteur. Les régions des composants du moteur les plus proches du moteur (aimants, rotor et boîtier) ont montré des températures constamment plus élevées en raison de l'influx de chaleur direct à travers les adaptateurs et du chauffage par friction dans les paliers. Les résultats de calcul ont montré qu'un refroidissement supplémentaire ou une protection thermique serait nécessaire dans les adaptateurs du boîtier pour éviter d'endommager les aimants du côté du moteur. De plus, un débit de liquide de refroidissement plus élevé à travers le tube latéral du moteur donnerait un meilleur refroidissement du côté moteur du moteur.