Численное моделирование жидкостного охлаждения малогабаритного электродвигателя

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью выбора эффективной системы охлаждения малогабаритного электрического двигателя при заданных условиях его работы. Цель работы: определение эффективности различных существующих и предложенных конструкций и систем жидкостного охлаждения малогабаритного электродвигателя при помощи численных экспериментов; определение необходимого режима работы по заданным условиям тепловыделения электродвигателя; экспериментальный выбор необходимого хладагента и геометрии канала охлаждающей рубашки, обеспечивающих рациональные параметры работы рассматриваемого узла в целом. Методы исследования: эксперименты на основе численной модели процесса сложного трехмерного неизотермического течения охлаждающей жидкости в режиме заданного расхода с применением метода конечных элементов и программного комплекса Ansys. Результаты: Приведена математическая модель неизотермического течения в трехмерной постановке; проведена оценка степени адекватности предложенной математической модели и метода ее численной реализации; предложена и обоснована рациональная геометрия охлаждающей рубашки электродвигателя; оценена эффективность применения различных хладагентов; определены технологические зависимости эффективности работы системы охлаждения от геометрических и некоторых технологических параметров; представлена наглядная визуализация распределения потоков хладагента в канале охлаждающего контура; оценен характер течения потока (ламинарный/турбулентный) в кольцевом и спиральном зазоре; проведена оценка влияния гравитации на течение хладагента; оценена возможность применения того или иного хладагента с точки зрения прочностных возможностей конструкции охлаждающей рубашки. Полученные результаты могут быть применены как при разработке систем автоматического управления промышленным оборудованием, так и в локальном контуре, отвечающем исключительно за процесс охлаждения.

Relevance of the work is caused by the necessity to select the efficient cooling system for compact electric motor under specified conditions of its work. The main aim of the study is to determine by the experiment the efficiency of various existing and proposed designs and patterns for the liquid cooling system of small-sized motor using numerical experiments, to determine the required operating mode by the given conditions of motor heat release; to select experimentally the required refrigerant and geometry of the channel of the cooling jacket to ensure rational parameters of the node in question as a whole. The methods used in the study: experiments based on numerical simulation of complex three-dimensional non-isothermal flow of coolant under constant flow using the finite element method and program complex Ansys. The results: The paper introduces the mathematical model of non-isothermal flow in a three-dimensional formulation. The authors estimated the adequacy of the proposed mathematical model and its numerical implementation, proposed and proved the rational geometry of the motor cooling jacket. The effectiveness of applying different refrigerants was appreciated and technological dependence of cooling system operation efficiency on geometrical and some technological parameters was defined. The paper introduces the graphic visualization of refrigerant flow distribution in the cooling circuit channel. The authors estimated the nature of air flow (laminar / turbulent) in annular and spiral gap, gravity effects on refrigerant held, the possibility of applying coolant from the standpoint of strength capacity of the cooling jacket design. The results obtained can be applied both in developing automatic control systems in industrial equipment and in a local loop responsible for cooling.