Haku

Simulation of low phenomena in cooling of an electrical machine

QR-koodi

Simulation of low phenomena in cooling of an electrical machine

Sähkökoneen jäähdytyksen virtausilmiöiden simulointi

Laskentatehon kasvu on mahdollistanut sähkökoneiden jäähdytyksen optimoinnin numeerisin menetelmin virtaussimulointiohjelmilla. Numeerisen laskennan kannalta on keskeistä tietää yksittäisten virtausilmiöiden vaikutus jäähdytyksen, jotta kokonaisuuden oikeellisuutta voitaisiin perustellusti arvioida. On haastavaa löytää laskentamalli, joka ei vaadi kohtuuttomasti laskenta-aikaa mutta ei ole myöskään liian yksinkertainen, jotta tärkeimmät ilmiöt jäisivät mallintamatta.

Jäähdytys jaettiin kolmeen eri komponenttiin: virtaukseen kahden samankeskisen sylinterin välissä, virtaukseen samansuuntaisen akselin ympäri pyörivässä kanavassa sekä virtaukseen akseliin nähden kohtisuorassa solassa. Virtaus sylinterien välissä on tyypiltään Couette-virtaus eli olennaista oli sähkökoneen liikkuvan osan eli roottorin kulmanopeuden suhde laminaaria epästabiiliutta kuvaavaan Taylorin lukuun sekä turbulenssia kuvaavaan Reynoldsin lukuun. Virtausta pyörivässä aksiaalikanavassa oli luontevaa tutkia tavallisena kanavavirtauksena, johon vaikuttavat eri koordinaatistojen suhteellista liikettä kuvaavat virtuaaliset Coriolis- ja keskipakoisvoimat. Lisäksi kiinnostavaa oli virtaus pyörivän kanavan suuaukkojen läpi, josta oli kovin vähän aiempaa tutkimusta. Virtaus radiaalisolassa rajattiin paineen kasvun tutkimiseen, sillä paineen kasvatus on radiaalisolien tärkein funktio niitä hyödyntävissä sähkökonetyypeissä. Numeerisena menetelmänä käytettiin Reynolds-keskiarvotukseen perustuvaa kontrollitilavuusmenetelmää, jossa turbulenssimallinnus toteutettiin yleisimmillä kaksiyhtälömalleilla: kappa - epsilon- ja kappa - oomega-malleilla. Näin saatiin riittävän yksinkertainen malli,joka silti pystyy mallintamaan perustavimmat ilmiöt.

Virtaukseen sylinterien välissä liittyvät epästabiiliudet, ns. Taylor-pyörteet, pystyttiin mallintamaan täsmällisesti Reynolds-keskiarvotukseen perustuvilla malleilla. Havaittiin, että epästabiiliudet eivät vaikuta huomattavasti kitkavastuksiin. Pyörimisliikkeellä osoitettiin olevan vaikutus virtaukseen aksiaalikanavissa kanavan pituudesta riippumatta. Lyhyissä kanavissa Coriolis-ilmiön aiheuttama spiraalimainen pyörre kasvattaa lämmönsiirtoa ja kitkavastusta, kun taas pitkissä kanavissa sama seuraa keskipakoisilmiön aiheuttamista pyörteistä. Aksiaalikanavan sisäänvirtauksen kertavastukselle löydettiin yhtälö suuaukon pyörimisnopeuden ja kanavan läpivirtauksen funktiona. Radiaalisolan maksimaalisen paineen kasvun todettiin olevan helposti johdettavissa puhallintekniikan perusyhtälöistä. Tilavuusvirran kasvamisesta seuraavien painehäviöiden todettiin johtuvan virtauksen 180 asteen käännöksistä radiaalisolissa. Tarkastellut turbulenssimallit eivät pystyneet mallintamaan tarkasti kaikkia sähkökoneen jäähdytykseen kytkeytyviä virtausilmiöitä. Kumpikaan malleista ei ollut myöskään selvästi toista parempi turbulenssimalli.

Tallennettuna: