Üç faz asenkron motorlarda soğutma yönteminin ısıl başarıma etkilerinin sonlu elemanlar yöntemi ile tespitine katkılar
Contributions to the determination of the effects of cooling methods on the thermal performance of three-phase induction motors using finite element method
- Tez No: 999363
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Üç faz asenkron motorlar endüstride birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu uygulamalar havalandırma, kompresör, pompa, hidrolik, asansör, yenilenebilir enerji vb. şeklinde görülmektedir. Üç fazlı asenkron motorların performansını ve güvenilirliğini sürekli çalışma altında belirleyici etkilerden birisi de soğutma yöntemleri olarak görülmektedir. Motor çalışması sırasında ortaya çıkan kayıplar nedeniyle ısı oluşturulmakta ve bu ısının etkin bir şekilde uzaklaştırılamaması durumunda motor üzerinde sıcaklık artışı olarak gözlemlenmektedir. Özellikle motor sargılarında oluşan sıcaklık artışı ile motor yalıtımı ve ömrü olumsuz bir şekilde etkileneleceği öngörülmektedir. Rulman ömrü zamanla bu sıcaklık artışları tarafından azaltılmakta ve genleşmeyle beraber eksenel kaçıklıklara neden olabilmektedir. İlave olarak motor sıcaklık artışı ile stator ve rotor kayıpları artırılmakta ve motor veriminde de negatif sonuçlara neden olunabilmektedir. Günümüzde artan enerji verimliliği gereksinimleri, regülasyonlar, maliyet baskıları ve kompakt motor tasarımlarına yönelik eğilim nedeniyle motorlarda daha yüksek güç yoğunluklarında çalışmanın zorunlu hale geldiği görülmüştür. Bu durum motorlarda oluşan ısıl yüklemenin artmasına ve geleneksel soğutma yaklaşımlarının yeterliliği sorgulanmıştır. Dolayısıyla farklı soğutma yöntemlerinin motorun ısıl davranışı üzerindeki etkilerinin karşılaştırmalı olarak incelenmesi tasarım ve uygulama aşamaları açısından önemli bir gereklilik haline geldiği bilinmektedir. Bu tez çalışmasında asenkron motorlarda kullanılan farklı soğutma yöntemlerinin ısıl performans, motor kayıpları ve motorun anma değerleri üzerindeki etkileri sonlu elemanlar yöntemi tabanlı hesaplama ve analizlerle sistematik bir yaklaşımla ele alınmıştır. Bu çalışma kapsamında TEFC (totally enclosed fan cooled), TENV (totally enclosed non-ventilated), TEAO (totally enclosed air over) ve sıvı soğutma şeklinde dört temel soğutma biçimi ele alınmıştır. TEAO çalışma kendi içinde iki farklı türde ele alınmıştır. İlk olarak belirli bir hava üfleme hızı olan bir ortamda iki farklı hız seçeneğinde inceleme yapılmıştır. İkinci olarak ise ticari uygulamalarda daha çok tercih edilen cebri (zorlanmış) fan ve pervane muhafazalı model ele alınmıştır. Her bir soğutma senaryosu için iki farklı sınır koşulunda çalışma gerçekleştirilmiştir. Sınır koşulları iki farklı durum şeklinde, sabit güç altında ve sabit sıcaklık artışı altında olarak belirlenmiştir. Bu sınır koşulları sonucunda anma değerleri, kayıplar, sıcaklık dağılımları, maksimum sıcaklıklar ve yüklenebilirlik parametreleri incelenmiştir. Çalışmaya başlamadan önce kayıplar, çalışma biçimleri, soğutma biçimleri, ısı aktarım yolları, ısıl model ve ısıl eşdeğer devre konularında kapsamlı literatür araştırması gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda motor içindeki ısının yayılımı, malzeme içi ısı iletimi, motor yüzeylerinden gerçekleşen doğal ve zorlanmış konveksiyon xx değerlendirilmiştir. Özellikle soğutma metotlarının ısıl aktarım metotlarıyla eş zamanlı yorumlanması ile sonlu elemanlar analizinde kolaylık sağlanmıştır. Sayısal analizler sonlu elemanlar yöntemi tabanlı bir analiz yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ilk etapta 2,2 kW 2 kutup 50 Hz TEFC soğutma sistemine sahip ticari bir model referans motor olarak kabul edilmiştir. Referans model Ansys Motor-CAD yardımıyla motorun ısıl ve elektromanyetik modelleri oluşturulmuştur. Buna göre radyal ve eksenel bileşenleri oluşturan stator, rotor, sargı, gövde ve diğer mekanik aksamları ayrıntılı bir şekilde tanımlanmıştır. İlave olarak tüm bu parçaların malzeme bilgileri giriş yapılmıştır. Elektromanyetik modülde elde edilen kayıplar ısıl modülde ısı kaynağı olarak kullanılmıştır. Isıl modülde elde edilen sıcaklıklar da elektromanyetik modülde kayıp olarak kabul edilmiştir. Bu çalışma sonuçlar birbirine yakınsayana kadar devam edilmiştir. Isıl modelde doğal konveksiyon ve kendinden fanla soğutma parametresi aktif hale getirilmiştir. Daha sonrasında referans modelin laboratuvar koşullarında IEC 60034-2-1 metot 2-1-2b'ye göre performans deneyi ve ısınma deneyi gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar testi sonucunda kayıplar, sıcaklık artışı ve verim verileri elde edilmiştir. Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) sonuçları ve IEC laboratuvarda elde edilen deneysel sonuçlarından motor başarımında anma parametreleri, sıcaklık artışı ve kayıplar açısından çok benzer olduğu sonucuna varılmıştır. Bu şekilde TEFC çalışmada güvenilir bir elektromanyetik ve ısıl model oluşturulmuştur. Bu çalışmada ısıl model olarak çok düğümlü toplu parametreli ısıl model ile hibrit (ısıl-elektromanyetik) model eş zamanlı olarak kullanılmıştır. İlave olarak deney sonuçları ile çok daha güvenilir olmasına katkı sağlanmıştır. Isıl SEA TENV çalışma ile devam ettirilmiştir. TENV çalışmada herhangi bir soğutma etkisi olmadığı için sadece doğal konveksiyon metodu referans yazılımda uygulanmıştır. Isıl ve elektromanyetik tarafta sonuçlar yakınsayana kadar SEA devam ettirilmiştir. Buna göre TENV çalışmanın sabit güç altında referans güçte yalıtım ısıl limitleri altında tam yükünde yüklenemediği gözlemlenmiştir. TEFC koşulun sıcaklık artışı olan değerde ise modelin referans değerden %50'den az yüklenebildiği gözlemlenmiştir. Isıl SEA TEAO çalışma dışarıdan hava üfleyerek soğutma ve cebri fan soğutma ile gerçekleştirilmiştir. TEAO dışarıdan hava üfleme koşulunda iki farklı hız değerinde SEA gerçekleştirilmiştir. Cebri fan simülasyon durumunda ise Ansys Motor-CAD'de doğrudan böyle bir modül olmaması nedeniyle motor TEFC şeklinde geometrik olarak tasarlanıp sabit hava akışı altında SEA gerçekleştirilmiştir. TEAO çalışma sabit güç altında incelendiğinde, ısıl ve performans açısından en verimli modelin cebri fanlı model olduğu gözlemlenmiştir. Dışarıdan hava üflemeli senaryoda motor gövde kanatlarının etkin kullanılamaması nedeniyle soğutmada verimsizlik gözlemlenmiştir. İlave olarak dışarıdan hava üflemeli senaryoda rotor kısmının yeterli soğumaması nedeniyle rotor kayıplarında artış ve devirde düşüş gözlemlenmiştir. TEAO cebri fan senaryosunda ise TEFC ile benzer davranışta fakat daha yüksek bir soğutma performansı stator ve rotor kayıplarına yansıdığı gözlemlenmiştir. TEAO cebri fan senaryosu 30 m/s dışarıdan hava akışlı senaryoya göre daha sıcak olmasına rağmen etkili rotor soğutması nedeniyle daha verimli olarak gözlemlenmiştir. Sabit sıcaklık artışı sınır koşulu altında incelendiğinde ise cebri fanlı TEAO çalışma modeli referans modelden %29,5 daha fazla yüklenebilir olarak gözlemlenmiştir. Son senaryo olan sıvı soğutma senaryosu motor gövdesine eksenel su ceketleri eklenerek SEA gerçekleştirilmiştir. Su ceketli tasarımda akışkan olarak su seçilmiştir. xxi İlave olarak su ceketi mekanik tasarımı on altı kanal ile Ansys-Motor-CAD'de tasarlanmıştır. Sabit güç SEA altında su ceketli tasarım ısıl olarak en soğuk sargı sıcaklığına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Kendisine ısıl olarak en yakın performans olan TEAO cebri fanlı senaryoya göre daha düşük sıcaklık artışına sahip olmasına rağmen verim olarak aynı seviyede kaldığı tespit edilmiştir . Bunun nedeninin ise su soğutmanın gövde üzerinde çok etkin soğutma sağlamasına rağmen rotor soğutmasının yetersiz kalması olarak görülmektedir. Su soğutma senaryosu daha düşük sargı sıcaklık artışı olmasına rağmen TEFC çalışmayla aynı rotor kaybına sahip olduğu raporlanmıştır. Son olarak ısıl limitler altında su ceketli tasarım üzerinde SEA gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak TEFC çalışmaya göre %34 daha fazla yüklenebildiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada temel anlamda üç fazlı asenkron motorda farklı soğutma türlerinin motorun anma değerlerine, kayıplarına, verimine, sıcaklık artışına ve sıcaklık dağılımına yönelik sonuçlar elde edilmiştir. Buna göre TENV, TEAO cebri fan çalışma ve TEFC modellerinde motor üzerinde homojen bir ısı dağılımı elde edilmiştir. Bunun aksine TEAO hava üfleme koşulu ve su soğutma senaryolarında rotor ve gövde arasında ciddi sıcaklık farkları olduğu gözlemlenmiştir. Çalışma sonuçlarına göre TENV çalışmada sabit sıcaklık artışı sınır koşulunda soğutma kaynağı eksikliği nedeniyle motorda bir alt gövde büyüklüğünün gücü sağlanabilmiştir. Sıvı soğutma ve TEAO zorlanmış soğutma durumlarının motor stator dış çap kısıtı altında kompaktlık sağladığı ve neredeyse bir üst gövde büyüklüğünün gücüne eriştiği gözlemlenmiştir. Bu tarz soğutma şekillerinin özellikle düşük hızlarda değişken hızlı sürücüyle çalışmada yetersiz soğutmaya fayda sağlayabileceği konusunda kuvvetli destek verisi olarak elde edilmiştir. TEAO ve sıvı soğutmalı modellerdeki sabit soğutma etkisi ihtiyaca ve soğutma şiddetine göre tasarlanabilir olduğu tespit edilmiştir. Sürücüyle çalışmada motor yalıtımındaki tepeden-tepeye zorlanmaları ilave olarak dikkate alınması da soğutma etkisi kadar önemli olduğu ve yalıtım ömrünü uzatacağı öngörülmüştür. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında üç fazlı asenkron motorlarda kullanılan farklı soğutma yöntemleri ve ısıl aktarım mekanizmalarının motor ısıl performans üzerindeki etkileri bütüncül bir yaklaşımla incelenmektedir. Elde edilen bulgular motor tasarımcıları ve uygulayıcılar için uygun soğutma yönteminin motor verimi, işletme güvenilirliği ve servis ömrü üzerindeki belirleyici rolü açıkça ortaya konulmaktadır. Ticari uygulamalarda geleneksel asenkron motor tiplerinin sadece soğutma şekli ve soğutucuya bağlı hız ve debi gibi ikincil değişkenler değiştirilerek farklı güçlerde çalışmasının sağlanabileceğine ve farklı endüstriyel uygulamalarda farklı kısıtlar altında kullanılabileceğine dair somut veriler elde edilmiştir. Ayrıca IEC standartlarına uygun deneysel yöntemlerle desteklenen bu çalışma sayısal ısıl analizlerin motor tasarım ve doğrulama süreçlerinde etkin bir şekilde kullanılabileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Three-phase induction motors are used in many industrial applications. These applications include ventilation systems, compressors, pumps, hydraulic systems, elevators, and renewable energy systems. One of the determining factors affecting the performance, reliability, and continuous operation of three-phase induction motors is the cooling method. The losses that occur during motor operation cause heat generation. The inability to dissipate this heat effectively leads to temperature rise in the motor. The temperature increase negatively affects motor insulation and lifetime. In addition, this temperature increase over time reduces bearing lifetime and may cause axial misalignments due to thermal expansion. In addition, winding temperature rise leads to increased stator and rotor losses, and it results in negative effects on motor efficiency. Currently, increasing energy efficiency requirements, regulations, cost considerations, and the tendency toward more compact motor designs have led motors to operate at higher power densities. This situation has resulted in increased thermal loading in motors. Questions regarding the adequacy of conventional cooling approaches have arisen. Therefore, the comparative investigation of the effects of different cooling methods on the thermal behavior of motors has become an important requirement and applies to both the design and application stages. In this thesis, the effects of different cooling methods used in induction motors on thermal performance were examined using a systematic approach. Motor losses and rated motor values were also evaluated. Four main cooling methods were considered: TEFC, TENV, TEAO, and liquid cooling within the scope of this study. The TEAO operating condition was examined in two different forms. First, it was evaluated under two different air-blow conditions with a specified air velocity. Second, a forced fan and fan cover model that is more commonly preferred in commercial applications was considered. Analyses were performed under two different boundary conditions for each cooling scenario. These boundary conditions were defined as constant power operation and constant temperature rise operation. Rated values, losses, temperature distributions, maximum temperatures, and loadability parameters were investigated in these boundary conditions. A comprehensive literature review was conducted on motor losses, working regimes, cooling methods, heat transfer methods, thermal models and thermal equivalent circuits at the beginning of the study. The simultaneous interpretation of cooling methods together with heat transfer mechanisms was performed. This enabled the effective implementation of the finite element software. Numerical analyses were carried out using a finite element analysis based approach. A commercially available 2,2 kW, 2 pole, 50 Hz motor with a TEFC cooling system xxiv was selected as the reference motor at the initial stage of the study. The thermal and electromagnetic models of the reference motor were developed within Ansys Motor-CAD. Stator, rotor, windings, housing, and other mechanical components were defined in detail as radially and axially. In addition, material properties of all these components were assigned. Losses obtained from the electromagnetic module were used as heat sources in the thermal module. Temperatures obtained in the thermal module were also transferred as inputs to the electromagnetic module. This iterative process was continued until convergence was achieved. Natural convection and self-ventilation cooling parameters were activated in the thermal model. Subsequently, performance tests and temperature rise tests of the reference motor were conducted under laboratory conditions in accordance with IEC 60034-2-1 method 2-1-2b. Losses, temperature rise, and efficiency data were obtained as a result of the laboratory test. It was concluded that the Finite Element Analysis (FEA) results and the IEC laboratory performance test results were in great harmony in terms of rated parameters, temperature rise, and losses. A reliable electromagnetic and thermal model was created for the TEFC operation. A multi-node lumped parameter thermal model and a hybrid (thermal and electromagnetic) model were used simultaneously as the thermal modeling approach in this study. In addition, the experimental results contributed to the reliability of the model. Thermal FEA analyses were continued with the TENV operating condition. Since there was no active cooling in the TENV operation and only the natural convection was applied in the reference software. FEA was continued until convergence was achieved on both the thermal and electromagnetic models. It was observed that the TENV operation could not be loaded up to the rated power level within insulation thermal limits during constant power operation. Also, the model can be loaded up to less than 50% of the reference value under the constant temperature rise boundary condition. TEAO FEA analyses were performed under external air-blow cooling and forced-fan cooling conditions. FEA was carried out at two different air velocity values in the external air-blow condition of TEAO. The motor was geometrically designed like a TEFC configuration and FEA was performed with a constant air flow due to lack of forced fan module in Ansys Motor-CAD. It was observed that the forced fan TEAO model was the most efficient model in terms of thermal and performance characteristics under constant power boundary conditions. Cooling inefficiency was observed due to the ineffective utilization of the motor housing fins in the external air-blow cooling scenario. An increase in rotor losses was observed due to insufficient cooling of the rotor region in the external air-blow scenario. A decrease in speed was also observed as a result of increased losses. A similar distribution but higher cooling performance compared to TEFC was reflected in stator and rotor losses in the forced fan TEAO scenario. Although the forced fan TEAO scenario was hotter even than the 30 m/s imaginary external air flow scenario, it was observed to be more efficient due to effective rotor cooling. It was observed that the forced fan TEAO operating model exhibited higher loadability compared to the reference model under constant temperature rise boundary condition. Liquid cooling was analyzed by performing FEA with axial water jackets added to the motor housing in the last scenario. Pure water was selected as a fluid in the water jacket design. In addition, the mechanical design of the water jacket was created with sixteen channels using ANSYS Motor-CAD. The water jacket design exhibited the lowest stator winding temperature in terms of thermal performance under constant power xxv FEA conditions. Although it showed a lower temperature rise compared to the thermally closest forced fan TEAO scenario, it remained at the same efficiency level. Although water jacket design was highly effective on the motor housing, rotor region cooling appeared ineffective. So, the liquid cooling scenario resulted in a lower winding temperature rise but it exhibited the same rotor losses as the TEFC operation. Finally, FEA was performed on the water jacket design under constant temperature limit boundary conditions. As a result, it was observed that the loadability was 34% higher than that of the TEFC operation. In this study, the results were obtained regarding the effects of different cooling types on the rated values, efficiency, temperature rise, and temperature distribution of three-phase induction motors. Accordingly, a homogeneous temperature distribution was achieved in the TENV, forced fan TEAO, and TEFC models. In contrast, significant temperature differences between the rotor and the housing were observed in the external air-blowing TEAO condition and the water jacket cooling scenario. The motor was able to deliver only the power of the next-lower-frame size due to the lack of a cooling source in the TENV operation under constant temperature rise constraint. Accordingly, it was observed that liquid cooling and forced TEAO cooling provided compactness under the constraint of the motor stator outer diameter. Water jacket and forced TEAO enabled operation at nearly the power level of the next higher frame size. TEAO and water jacket cooling methods could be beneficial in mitigating insufficient cooling in TEFC operation. Variable low-speed drive applications can be an example of such applications. The constant cooling effect in TEAO and water jacket models can be designed according to the required application needs and cooling effect. Considering peak-to-peak voltage stresses on motor insulation is as important as the cooling effect and it surely will contribute to extending insulation lifetime in variable speed applications. In conclusion, this thesis study investigates the effects of different cooling methods and heat transfer mechanisms used in three-phase induction motors on motor thermal performance using a holistic approach with two different operational loading constraints. The obtained findings clearly demonstrate the decisive role of selecting an appropriate cooling method on motor efficiency, operational reliability, and service life for motor designers and practitioners. This study shows that numerical thermal analyses, supported by experimental methods in accordance with IEC standards can be effectively used. These analyses can be applied in motor design and validation processes.
Benzer Tezler
- 1981 Türkiye tarımsal yapısının önemli bileşenleri ve tarımsal bölgelerin elde edilmesi
Principle components of Turkey's agricultural structure and to determine agricultural rigions in 1981
İHSAN KARABULUT
- Buğdayda farklı melezleme teknikleri kullanarak tohum tutma oranının saptanılması
Başlık çevirisi yok
İSMAİL TÜZÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
ZiraatUludağ ÜniversitesiTarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİS RUHİ EKİNGEN
- Bazı sert çekirdekli meyve türlerinde döllenme biyolojisi üzerinde yöntem çalışmaları
Başlık çevirisi yok
ATBİMOĞLU ADALET