Analyses de gestion thermique du moteur à induction grâce à la combinaison de l'air

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10125 (2023) Citer cet article

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La bonne stratégie de gestion de la chaleur dans les machines électriques est extrêmement importante en raison de leurs coûts d'exploitation et de leur durée de fonctionnement. Dans cet article, les stratégies des éléments de gestion thermique des moteurs à induction sont développées pour assurer une meilleure endurance et augmenter l'efficacité. De plus, une revue approfondie de la littérature a été réalisée en termes de méthodes de refroidissement des machines électriques. Le résultat principal est l'analyse thermique d'un moteur à induction refroidi par air et de grande capacité, en considérant des problèmes bien connus de distribution de chaleur. De plus, cette étude présente également une approche intégrée avec deux ou plusieurs stratégies de refroidissement selon les besoins du moment. Un modèle de moteur à induction refroidi par air de 100 kW et un modèle amélioré de gestion thermique du même moteur ont tous deux été étudiés numériquement, en utilisant une combinaison de systèmes de refroidissement par air et de refroidissement par eau intégrés pour obtenir une amélioration significative de l'efficacité du moteur. Le système intégré comprenant des systèmes refroidis par air et par eau est étudié à l'aide de SolidWorks 2017 et d'ANSYS Fluent version 2021. Trois débits d'eau différents 5 LPM, 10 LPM et 15 LPM sont analysés et comparés à un moteur à induction conventionnel refroidi par air, qui a été validé avec les ressources publiées disponibles. Les analyses effectuées indiquent que pour différents débits de 5 LPM, 10 LPM et 15 LPM respectivement, nous avons obtenu une réduction de température respectivement de 2,94%, 4,79% et 7,69%. Par conséquent, les résultats ont indiqué qu’un moteur à induction intégré est efficace pour abaisser la température par rapport au moteur à induction refroidi par air.

Le moteur électrique est l’une des inventions clés des sciences de l’ingénierie modernes. Les moteurs électriques sont utilisés dans divers secteurs, de l’électroménager aux transports, en passant par l’automobile et l’aérospatiale. Les moteurs à induction (IM) ont gagné en popularité ces dernières années en raison de leur couple de démarrage élevé, de leur bon contrôle de vitesse et de leur capacité de surcharge appropriée (Fig. 1). Le moteur à induction fait non seulement briller votre ampoule, mais alimente également chaque jour la plupart des gadgets de votre maison, depuis une brosse à dents jusqu'à une voiture Tesla. La puissance mécanique est créée dans un IM par le contact des champs magnétiques des enroulements du stator et du rotor. De plus, comme les métaux des terres rares sont en quantité limitée, les IM constituent un choix viable. Cependant, le principal inconvénient des IM est que leur durée de vie et leur efficacité sont très sensibles à la température. Les moteurs à induction consomment environ 40 % de toute l’électricité mondiale, ce qui devrait nous faire penser que la gestion énergétique de ces machines est tout à fait cruciale.

Liste des caractéristiques du moteur à induction.

L'équation d'Arrhenius indique que la durée de vie de l'ensemble du moteur est réduite de moitié à chaque fois que la température de fonctionnement augmente de 10 °C. Ainsi, pour garantir la fiabilité et améliorer les performances des machines, il est nécessaire de se concentrer sur la gestion thermique des IM. L'analyse thermique n'a pas retenu suffisamment d'attention dans le passé et les développeurs de moteurs ne l'ont abordée que de manière périphérique, en fonction de leur expertise en matière de conception ou d'autres variables de dimensionnement telles que la densité de courant des enroulements, etc. Ces méthodes conduisent à appliquer un facteur de sécurité élevé, pour faire face aux pires échauffements. situations conduisant ainsi à un surdimensionnement de la machine et, par conséquent, à une augmentation du coût.

L'analyse thermique est classée en deux types : les circuits analytiques localisés et les approches numériques. Le principal avantage de l’approche analytique est sa capacité à calculer rapidement et précisément. Cependant, beaucoup de travail reste à faire pour définir un circuit suffisamment précis pour imiter les routes thermiques. Les approches numériques, en revanche, sont généralement classées comme la dynamique des fluides computationnelle (CFD) et l'analyse thermique des structures (STA), qui utilisent toutes deux l'analyse par éléments finis (FEA). L'analyse numérique a l'avantage de nous permettre de simuler la géométrie du dispositif. Cependant, cela peut parfois être difficile en ce qui concerne la configuration du système et le travail informatique. Les articles scientifiques présentés ci-dessous sont des exemples sélectionnés d’analyses thermiques et électromagnétiques de divers moteurs à induction modernes. Ces articles ont incité les auteurs à entreprendre des travaux sur les phénomènes thermiques dans les machines à induction et les méthodes de leur refroidissement.