The innovative design concept of thermal model for the calculation of the electromagnetic circuit of rotating electrical machines

• Autorzy: Będkowski B. , Madej J.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2015.4.1

Warianty tytułu

PL

Innowacyjna koncepcja budowy obliczeniowego modelu cieplnego dla obwodu elektromagnetycznego wirujących maszyn elektrycznych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Operating parameters and reliability of rotating electrical machines are connected to a large extent with their thermal state. The high temperature of these devices has an impact on the life of such elements as bearings, windings, andalso efficiency and possibility of their use. More often, during the analysis of the existingand new designs of electrical machines,the thermal and mechanical calculations are carried out. The finite element method which uses spatial models is commonly used in such calculations. The correct formulation of boundary conditionsand the appropriate model simplifications are the key problems. Parameters calibration of thecalculation model in order to obtain adequate calculations results to the actual device operation is necessary to performed. The innovative conception for determining the thermal parameters of the numerical model for the most complex structure of electrical machinery, which is the electromagnetic circuit, is presented in this paper. During the preparation of the thermal spatial computational models of rotating electrical machines, this method can be used. The proposed simplified monolithic model of the electromagnetic circuit with base on simple experiment calibration method allows to preparethe effective computational model which can be successfully applied in the programs which use the finite element method.

PL

Parametry eksploatacyjne oraz niezawodność wirujących maszyn elektrycznychzwiązane są w znacznymstopniu z ich stanem cieplnym. Wysoka temperatura tych urządzeń ma wpływ na żywotność takich elementów jakłożyska, uzwojenie, oraz sprawność i możliwości ich zastosowania. Podczas analizy istniejących konstrukcji maszyn elektrycznych oraz na etapie projektowania nowychprowadzone sącoraz częściejobliczeniawytrzymałościowe i termiczne.Przy obliczeniach takich powszechnie stosowana jest metoda elementów skończonych wykorzystująca przestrzenne modele obliczeniowe, w których zagadnieniem kluczowym jest sformułowanie poprawnych warunków brzegowych oraz przyjęcie właściwych uproszczeń. W celu otrzymania wyniku adekwatnego do rzeczywistej pracy analizowanego urządzenia niezbędne jest przeprowadzenie kalibracji parametrów modelu obliczeniowego. W niniejszej pracy przedstawiono innowacyjną koncepcję określania parametrów cieplnych modelu numerycznego dla najbardziej złożonej struktury maszyn elektrycznych, jaką jest obwód elektromagnetyczny. Metoda ta ma zastosowanie podczas budowy przestrzennych termicznych modeli obliczeniowych wirujących maszyn elektrycznych. Zaproponowany uproszczony monolityczny model obwodu elektromagnetycznego wraz z metodą jego kalibracji za pomocą prostego doświadczenia pozwala na szybkie przygotowanie efektywnegomodelu obliczeniowego, który z powodzeniem może być użyty w programach wykorzystujących metodę elementów skończonych.

Słowa kluczowe

EN

numerical computation; thermal analysis; FEM; operation of electrical machines

PL

obliczenia numeryczne; obliczenia cieplne; MES; eksploatacja maszyn elektrycznych

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 17, no. 4
• Strony: 481--486
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Będkowski B.

• Department of Mechanical Engineering Fundamentals Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science University of Bielsko-Biała ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała, Poland

autor

Madej J.

• Department of Mechanical Engineering Fundamentals Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science University of Bielsko-Biała ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała, Poland

Bibliografia

• 1. Almandoz G, Poza J, Ugalde G, SanAndres U. Design of Cooling Systems Using Computational Fluid Dynamics and Analytical Thermal odels. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2014; 8(61): 4383–4391.
• 2. Będkowski B, Madej J. The potential of 3D FEM and CFD methods for cooling systems analysis of electrical machines – the premises. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne - Electrical Machines – Transaction Journal 2012;
• 3. Bennion K. Presentation: Electric Motor Thermal Management. Washington: National Renewable Energy Laboratory, 2012.
• 4. Boglietti A, Cavagnino A, Lazzari M, Pastorelli M. A simplified thermal model for variable-speed self-cooled industrial induction motor. IEEE Transactions on Industry Applications 2003; 4(39): 945–952, http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2003.814555.
• 5. Boglietti A, Cavagnino A, Staton D. Solving the more difficult aspects of electric motor thermal analysis in small and medium size industrial induction motors. IEEE Transactions on Energy Conversion 2005; 3(20): 620–628.
• 6. Boglietti A, Mejuto C, Mueller M, Shanel M, Staton D. Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of Electrical Machines. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2009; 3(56): 871-882, http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2008.2011622.
• 7. Coia Y, Colli V D, Marignetti F. Design of axial flux PM synchronous machines through 3-D coupled electromagnetic thermal and fluiddynamical finite-element analysis. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2008; 10(55): 3591–3601.
• 8. Cheng M, Sun X. Thermal analysis and cooling system design of dual mechanical port machine for wind power application. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2013; 5(60): 1724–1733.
• 9. Głowacz A, Głowacz A, Głowacz Z. Recognition of monochrome thermal images of synchronous motor with the application of quadtree decomposition and backpropagation neural network. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2014; 16(1): 92–96.
• 10. Hendershot J R, Miller T J E. Design of brushless permanent-magnet motors. Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1994.
• 11. Kuchynkova H, Hajek V. Measurement of temperature of electrical Machines using thermovision camera. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne - Electrical Machines – Transaction Journal 2010; 87: 139-134.
• 12. Leksell M, Nategh S, Wallmark O, Zhao S. Thermal Analysis of a PMaSRM Using Partial FEA and Lumped Parameter Modeling. IEEE Transactions on Energy Conversion 2012; 2(27): 477-488.
• 13. Mebarki A, Mejuto C, Mueller M, Shanel M, Staton D. Thermal modelling investigation of heat paths due to iron losses in synchronous machines. Proc. 4th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives 2008: 225–229.
• 14. Ozisik, M N. Heat Transfer - A Basic Approach. New York: McGraw Hill, 1985.
• 15. Staton D A. Thermal computer aided design - Advancing the revolution in compact motors. Proc. International Electric Machines and Drives Conference 2001: 858–863, http://dx.doi.org/10.1109/iemdc.2001.939420.
• 16. Thomas L C. Heat Transfer – Professional Version, 2nd Edition. Tulsa, Oklahoma: Capstone Publishing Company, 1999.