Моделирование тепловых режимов асинхронного двигателя с фазным ротором для электроприводов горнодобывающих комплексов в COMSOL Multiphysics

Abstract

Актуальность. В условиях эксплуатации электрических машин в горнодобывающей промышленности существенно возрастают требования к надёжности и термической устойчивости электроприводов. Асинхронные двигатели с фазным ротором, применяемые в электроприводах двойного питания, широко используются для добычи, транспортировки и переработки минерального сырья. Однако высокая тепловая нагрузка, особенно на роторную обмотку, при внешней температуре до 40 °C и выше требует тщательного теплового анализа и оценки ресурса изоляции. Цель. Построение двухмерной тепловой модели двигателя 4АК160М4У3 в среде COMSOL Multiphysics 6.0 с целью определения температурного распределения и анализа теплового резерва в номинальном режиме работы (продолжительный режим S1) при различных температурах внешней среды. Получение базовой модели для анализа теплового состояния двигателя при реализации энергоэффективных законов регулирования электропривода. Методы. Расчёт электромагнитных потерь выполнен в модуле Rotating Machinery, Magnetic с использованием модели Бертотти для стали M530-50A. Результаты переданы в модуль Heat Transfer in Solids через мультифизическую связь. Учтены реальные свойства материалов, тепловые контакты между элементами, тонкий слой изоляции Kapton H, а также конвективное охлаждение корпуса со скоростью потока 12 м/с. Результаты. При температуре окружающей среды 25 °C максимальная температура в обмотке ротора составила 118,5 °C, а при 40 °C достигла 137,9 °C. Температура статора и корпуса осталась в диапазоне 83-105 °C. Установлено, что при повышенных температурах окружающей среды двигатель работает близко к пределу изоляции класса F, что обосновывает необходимость применения изоляции класса H и модернизации системы охлаждения для эксплуатации в тяжёлых горнорудных условиях

Relevance. In the mining and processing industry, the electric drives are exposed to harsh operating conditions, including high ambient air temperatures, dust, and cyclic overloads. These conditions significantly increase the requirements for reliability and thermal stability of the drive, necessitating accurate thermal modeling to assess the thermal reserve. Wound rotor induction motors, commonly used in doubly-fed induction machine, are subject to increased thermal stress, especially in the rotor winding. These conditions significantly affect the reliability and thermal lifespan of the machine and require accurate modeling to assess its thermal reserve. Aim. To develop a 2D thermal model of the 4AK160M4U3 asynchronous motor in COMSOL Multiphysics 6.0, to investigate the temperature distribution under nominal operation (continuous duty, S1) for different values of ambient air temperature, and to provide a baseline for further research into the thermal state of the machine under the implementation of energy-efficient control strategies in doubly-fed induction motor systems. Methods. Electromagnetic losses were calculated using the Rotating Machinery, Magnetic module, with the Bertotti model applied for M530-50A electrical steel. These losses were then transferred to the Heat Transfer in Solids module using a multiphysics coupling. The simulation accounted for actual material properties, ideal thermal contacts between metals, a thin Kapton H insulation layer, and convective cooling of the motor housing with an air flow velocity of 12 m/s. Results and conclusions. At an ambient air temperature of 25°C, the maximum temperature in the rotor winding reached 118.5°C; at 40°C, it increased to 137.9°C. The temperatures of the stator and housing ranged from 83 to 105°C. The results indicate that under elevated ambient conditions, the motor operates close to the thermal limit of insulation class F. It is therefore recommended to use insulation class H and to upgrade the cooling system in order to ensure reliable performance in mining and mineral processing environments. The developed model provides a validated computational basis for further studies focused on the thermal behavior of wound rotor machines in energy-efficient control applications