Air-Gap Convection in Rotating Elec

Air-Gap Convection in Rotating Electrical Machines
David A. Howey, Member, IEEE, Peter R. N. Childs, and Andrew S. Holmes, Member, IEEE
Abstract—This paper reviews the convective heat transfer
within the air gap of both cylindrical and disk geometry rotating electrical machines, including worked examples relevant to
fractional horsepower electrical machines. Thermal analysis of
electrical machines is important because torque density is limited
by maximum temperature. Knowledge of surface convective heat
transfer coefficients is necessary for accurate thermal modeling,
for example, using lumped parameter models. There exists a wide
body of relevant literature, but much of it has traditionally been in
other application areas, dominated by mechanical engineers, such
as gas turbine design. Particular attention is therefore given to the
explanation of the relevant nondimensional parameters and to the
presentation of measured convective heat transfer correlations for
a wide variety of situations from laminar to turbulent flow at small
and large gap sizes for both radial-flux and axial-flux electrical
machines.
Index Terms—Convection, electrical machine, heat transfer,
thermal analysis.
I. INTRODUCTION
T
HE electromagnetic analysis of motors and generators is a
mature subject; in contrast, the thermal and aerodynamic
aspects of electrical machine design have been less thoroughly
researched to date [1]. Modern machines must be compact,
light, and torque dense and are often required to withstand
extreme environmental and loading conditions. Knowledge of
the airflow in a machine is crucial for design purposes, particularly where air-gap convection limits heat transfer. The
surface convective heat transfer coefficients, important for the
calculation of temperatures, are complex functions of geometry
and fluid mechanics. This paper seeks to give an overview of the
state of the art in airflow and convection within the air gap in
cylindrical- and disk-type machines, with a particular emphasis
on experimentally measured convection data in the form of
correlations that can be applied during the design. It also seeks
to summarize the typical flow patterns that might arise, some of
which are quite counterintuitive. Other related thermal topics,
such as lumped parameter (LP) modeling, radiation heat transfer, thermal contact resistances, and finite-element analysis, are
not discussed in detail since they have been covered elsewhere,
e.g., in [2] and [3].
Manuscript received May 31, 2010; revised September 18, 2010; accepted
November 29, 2010. Date of publication December 17, 2010; date of current
version October 25, 2011.
D. A. Howey and P. R. N. Childs are with the Department of Mechanical
Engineering, Imperial College London, SW7 2AZ London, U.K. (e-mail:
[e-mail]).
A. S. Holmes is with the Department of Electrical and Electronic Engineering, Imperial College London, SW7 2AZ London, U.K.
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online
at http://ieeexplore.ieee.org.
Digital Object Identifier 10.1109/TIE.2010.2100337
In an electrical machine, the internal temperatures reached at
a given operating point must be predicted during design because
of the following reasons.
1) The calculation of the maximum continuous rating requires an adequate thermal model to ensure that the cooling provision is sufficient to avoid overheating since the
torque density (and therefore the maximum rms current
density in the windings) is thermally limited in a machine
of good electromagnetic design.
2) The stator temperature affects the efficiency because
the resistivity of the copper windings increases with
temperature. For example, at 100 ◦
C, the resistivity of
copper is increased by almost 30% compared to room
temperature.
3) Materials such as permanent magnets (PMs) and polymers used in stator construction can only typically
withstand continuous maximum temperatures of about
150 ◦
C.
4) Inaccurate predictions lead to the use of excessive safety
margins. Improvements would reduce the number of
prototype iterations required and minimize the cost.
This is becoming increasingly important even in smaller
machines.
Temperatures that are consistently too high will reduce the
lifetime of the machine and may lead to serious failure. The
main failure mechanism is the breakdown of the insulation
surrounding the copper windings due to oxidation and embrittlement. This leads to a loss of mechanical strength and, eventually, breakage which may cause short circuits [4]. Although
electrical machines may usually be overloaded for short periods
of time, if the temperature exceeds the maximum acceptable
temperature for the insulation class, then the lifetime will be
shortened, perhaps severely.
A second failure mechanism in PM machines is the demagnetization of the magnets. The most commonly used
PM material is neodymium–iron–boron (NdFeB). The demagnetization curve of NdFeB depends strongly on temperature
[5]: As the magnet temperature increases, the material’s crystal
structure changes, and the magnitudes of Br and Hc decrease.
Additionally, the “knee” in the demagnetization curve moves
up; if the magnets are operated below the knee, irreversible
change takes place, making it important to ensure that the
magnet temperatures remain modest at all times.
Internal heating in electrical machines is the result of losses.
The temperature reached is governed by the balance between
the heat generated, the heat removed, and the thermal capacity.
Major sources of loss are Joule (I
2
R) losses in the windings,
core losses due to eddy currents and hysteresis, and mechanical
0278-0046/$26.00 © 2010 IEEE1368 IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 59, NO. 3, MARCH 2012
TABLE I
DEPENDENCE OF POWER LOSSES ON MACHINE AND
OPERATING PARAMETERS [6], [7]
losses. Table I shows approximately how these depend on
various operating parameters in an electrical machine: I is the
stator current, R is the stator resistance, Ω is the shaft speed,
m is the machine mass, D is the rotor diameter, L is the rotor
axial length,B is the average magnetic flux density, and ρ is the
air-gap fluid density.
A number of factors determine the rate of heat removal in
an air-cooled electrical machine. The geometry and materials,
surface areas, and machine size have an impact. Since the losses
are roughly proportional to volume L
3
(where L is a length
dimension), the surface area is proportional to L
2
, and cooling
may be more of a challenge in larger machines. Additionally, if
a machine is totally enclosed, air will recirculate internally, and
the heat transfer is typically limited by internal heat transfer
(for example, conduction through insulating materials) and
convection around the outside surfaces. However, the heat
removal rate may be substantially increased if the machine
can be throughflow ventilated, i.e., air continually enters from
ambient, passes through, and is then expelled.
An aspect of thermal modeling not discussed in detail in this
paper is the solid-domain thermal modeling. Heat transfer in the
solid domain (e.g., in iron, copper, polymers, etc.) is by thermal
conduction, governed by the heat equation
∂T
∂t = α∇2
T (1)
where T is the temperature field, t is the time, and α is the
thermal diffusivity of the material. This equation can be solved
analytically by integration in 1-D cases and by Fourier series
expansion in 2-D cases. For complex 2-D and 3-D geometries
with many different material types and complicated boundary
conditions, LP methods and numerical methods are usually
applied. LP thermal network models are a common way to
evaluate the thermal performance of electrical machines. The
method assumes that the spatial distribution of temperature
within each different material or subcomponent is uniform.
Where this is not the case, subcomponents can be further broken
down into smaller sections to increase the spatial resolution
of the model; this is typically done, for example, within stator
windings. The LP method is fast to compute and therefore can
handle transient calculations with complex load cycles. It has
been widely applied; for example, Mellor et al. [8] developed
LP models for totally enclosed fan-cooled induction machines,
and transient results are compared to experiments and are
shown to be quite accurate. LP methods can equally be applied
to disk-type machines; for example, Spooner and Chalmers [9]
developed an LP model for an axial-flux permanent-magnet
(AFPM) machine and obtained thermal conduction and contact resistances by conducting tests on a dummy rotor. LP
models must be carefully “tuned” with empirical data, such
as convective heat transfer correlations, to ensure adequate
performance.
In summary, air-gap convection is crucial in the thermal modeling of electrical machines in order to achieve accurate results.
In certain situations, the air-gap convection is the limiting factor
for heat transfer, for example, in a throughflow-ventilated disk
machine where all heat is removed by air passing over the stator
surface or in a cylindrical induction machine where there may
be significant heating within the rotor.
II. PREVIOUS REVIEWS
There are relatively few review papers on the subject
of airflow and convection in rotating electrical machines.
Boglietti et al. [2] reviewed the thermal analysis of electrical
machines with a particular focus on LP models. Staton et al.[3]
also reviewed the more challenging areas in thermal analysis,
which include contact resistances, stator winding conductivity,
and convection coefficients, particularly around end windings
where there are complex flow paths. Staton and Cavagnino
[10] reviewed convection in electrical machines, focusing on
correlations for natural convection around the external casings
of cylindrical geometry machines and also on correlatons for
forced cooling with fans or water jackets. They included a small
section on air-gap heat transfer. Disk-

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

การพาอากาศช่วงในการหมุนเครื่องจักรไฟฟ้าDavid A. Howey สมาชิก IEEE ปีเตอร์ R. ตอนเหนือเด็ก และแอนดรู S. โฮมส์ สมาชิก IEEEนามธรรมเช่นกระดาษนี้รีวิวถ่ายเทความร้อนด้วยการพาภายในช่องว่างอากาศของทรงกระบอก และเรขาคณิตดิสก์หมุนเครื่องจักรไฟฟ้า รวมถึงการทำงานที่เกี่ยวข้องกับตัวอย่างเครื่องจักรไฟฟ้าแรงม้าเป็นเศษส่วน การวิเคราะห์ความร้อนเครื่องจักรไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากความหนาแน่นแรงบิดจำกัดโดยอุณหภูมิสูงสุด ความรู้ของพื้นผิวความร้อนด้วยการพาโอน coefficients จำเป็นสำหรับการสร้างโมเดล ความร้อนที่ถูกต้องโดยใช้พารามิเตอร์ lumped รุ่นตัวอย่าง มีทั้งแบบเนื้อหาของวรรณกรรมที่เกี่ยวข้อง แต่มากของมันซึ่งมีพื้นที่แอพพลิเคชันอื่น ครอบงำ โดยวิศวกรเครื่องกล เช่นเป็นการออกแบบกังหันก๊าซ ดังนั้นจะให้ความสนใจโดยเฉพาะการคำอธิบาย ของพารามิเตอร์ nondimensional ที่เกี่ยวข้อง และให้การนำเสนอความสัมพันธ์ถ่ายโอนความร้อนด้วยการพาวัดสำหรับความหลากหลายของสถานการณ์จาก laminar ไปเพ flow ที่ขนาดเล็กและขนาดของช่องว่างขนาดใหญ่สำหรับ flux รัศมีและแกน-flux ไฟฟ้าเครื่องจักรคำดัชนีเช่นการพา เครื่องไฟฟ้า ถ่ายเทความร้อนการวิเคราะห์ความร้อนI. บทนำTเขาวิเคราะห์ไฟฟ้าของมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นแบบเรื่องผู้ใหญ่ ในความคมชัด ความร้อน และอากาศพลศาสตร์ด้านการออกแบบเครื่องไฟฟ้าได้น้อยอย่างละเอียดเมือวันที่ [1] เครื่องจักรทันสมัยต้องกระชับแสง และแรงบิดที่หนาแน่น และมีมักจะต้องทนต่อสิ่งแวดล้อม และลดสภาวะการ ความรู้ของairflow ในเครื่องเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ช่องว่างอากาศพาจำกัดถ่ายเทความร้อน ที่ด้วยการพาความร้อนถ่ายโอน coefficients สำคัญสำหรับพื้นผิวการคำนวณอุณหภูมิ มีฟังก์ชันที่ซับซ้อนของรูปทรงเรขาคณิตและกลศาสตร์ fluid เอกสารนี้มุ่งที่จะให้ภาพรวมของการทันสมัย airflow และการพาภายในช่องว่างอากาศในทรงกระบอก และดิสก์ชนิดเครื่อง โดยเน้นเฉพาะพา experimentally วัดข้อมูลในรูปแบบของความสัมพันธ์ที่สามารถใช้ได้ในระหว่างการออกแบบ มันพยายามสรุปรูป flow ทั่วไปที่อาจเกิดขึ้น บางซึ่งจะค่อนข้าง counterintuitive หัวข้อการจองที่เกี่ยวข้องกับความร้อนอื่น ๆสร้างโมเดล lumped พารามิเตอร์ (LP) ถ่ายเทความร้อนรังสี ติดต่อความต้านทานความร้อน และการวิเคราะห์องค์ประกอบ finite มีไม่กล่าวถึงในรายละเอียดเนื่องจากพวกเขาได้รับการครอบคลุมอื่นเช่น ใน [2] และ [3]ฉบับที่ 31 พฤษภาคม 2010 ได้รับ แก้ไข 18 กันยายน 2010 ยอมรับ29 พฤศจิกายน 2010 วันประกาศ 17 ธันวาคม 2553 วันปัจจุบันรุ่นที่ 25 ตุลาคม 2011D. A. Howey และเด็ก N. R. P. มีแผนกเครื่องกลวิศวกรรม อิมพีเรียลลอนดอนวิทยาลัย SW7 2AZ ลอนดอน สหราชอาณาจักร (อีเมล์:[e-mail])A. โฮลมส์ S. เป็นการแผนกไฟฟ้า และ วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ วิทยาลัยอิมพีเรียลลอนดอน SW7 2AZ ลอนดอน สหราชอาณาจักรรุ่นสีของ figures ในกระดาษนี้มีออนไลน์ที่ http://ieeexplore.ieee.orgวัตถุดิจิตอล Identifier 10.1109/TIE.2010.2100337เครื่องไฟฟ้า อุณหภูมิภายในถึงที่ต้องคาดการณ์จุดปฏิบัติงานที่กำหนดในระหว่างการออกแบบเนื่องจากสาเหตุต่อไปนี้1) การคำนวณการจัดอันดับอย่างต่อเนื่องสูงสุดต้องใช้แบบจำลองความร้อนเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่า เตรียมระบายความร้อนคือ sufficient เพื่อหลีกเลี่ยงมิตั้งแต่การแรงบิดที่ความหนาแน่น (และ rms สูงสุดปัจจุบันเครื่องแพจำกัดความหนาแน่นในการขดลวด)ของดีแม่เหล็กไฟฟ้า2)สเตอุณหภูมิมีผลต่อ efficiency เนื่องจากเพิ่มความต้านทานของขดลวดทองแดงด้วยอุณหภูมิ ตัวอย่าง ที่ 100 ◦C ความต้านทานของทองแดงจะเพิ่มขึ้นเกือบ 30% เมื่อเทียบกับห้องพักอุณหภูมิ3) วัสดุแม่เหล็กถาวร (PMs) และโพลิเมอร์ที่ใช้ในการก่อสร้างสเตสามารถโดยทั่วไปเท่านั้นทนต่ออุณหภูมิสูงสุดอย่างต่อเนื่องของเกี่ยวกับ150 ◦ค4) คาดคะเนไม่นำไปสู่การใช้ความปลอดภัยที่มากเกินไประยะขอบ การปรับปรุงจะช่วยลดจำนวนแผนต้นแบบจำเป็น และลดต้นทุนนี้เป็นสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ แม้ในขนาดเล็กเครื่องจักรอุณหภูมิที่สูงเกินไปอย่างสม่ำเสมอจะช่วยลดการอายุการใช้งานของเครื่องจักร และอาจนำไปสู่ความล้มเหลวที่ร้ายแรง ที่กลไกหลักล้มเป็นของฉนวนรอบขดลวดทองแดงเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันและ embrittlement นี้นำไปสู่การสูญเสียความแข็งแรงทางกลและ เคมีฯ ซึ่งอาจทำให้เกิดการลัดวงจร [4] ถึงแม้ว่ามักจะเกิดไฟฟ้าเครื่องจักรสำหรับรอบระยะเวลาสั้นเวลา ถ้าอุณหภูมิเกินจำนวนสูงสุดยอมรับได้อุณหภูมิสำหรับชั้นฉนวนกันความร้อน อายุการใช้งานจะลดลง อาจรุนแรงสองความล้มเหลวของกลไกในเครื่อง PM เป็น demagnetization ของแม่เหล็ก ใช้บ่อยที่สุดPM วัสดุเป็นนีโอดิเมียม – เหล็ก – โบรอน (NdFeB) เส้นโค้ง demagnetization ของ NdFeB อย่างยิ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ[5]: เป็นแม่เหล็กอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ผลึกของวัสดุการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง และ magnitudes Br และ Hc ลดนอกจากนี้ ย้าย "เข่า" ในโค้ง demagnetizationค่า ถ้าแม่เหล็กจะดำเนินการใต้เข่า ให้เปลี่ยนแปลง ทำให้สำคัญมั่นใจได้ว่าการแม่เหล็กอุณหภูมิยังคงเจียมเนื้อเจียมตัวตลอดเวลาภายในเครื่องทำความร้อนในเครื่องจักรไฟฟ้าเป็นผลขาดทุนภายใต้อุณหภูมิถึงสมดุลระหว่างสร้างความร้อน ความร้อนออก และกำลังการผลิตความร้อนแหล่งสำคัญของการสูญเสียมี Joule (I2R) สูญเสียในขดลวดสูญเสียหลักเนื่องจากกระแสเอ็ดดี้ และสัมผัส และเครื่องกล0278-0046 / $26.00 © 2010 IEEE1368 IEEE ธุรกรรมอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม ปี 59 หมายเลข 3 มีนาคม 2555โต๊ะผมพึ่งพาความสูญเสียพลังงานในเครื่องจักร และOPERATING PARAMETERS [6], [7]losses. Table I shows approximately how these depend onvarious operating parameters in an electrical machine: I is thestator current, R is the stator resistance, Ω is the shaft speed,m is the machine mass, D is the rotor diameter, L is the rotoraxial length,B is the average magnetic flux density, and ρ is theair-gap fluid density.A number of factors determine the rate of heat removal inan air-cooled electrical machine. The geometry and materials,surface areas, and machine size have an impact. Since the lossesare roughly proportional to volume L3(where L is a lengthdimension), the surface area is proportional to L2, and coolingmay be more of a challenge in larger machines. Additionally, ifa machine is totally enclosed, air will recirculate internally, andthe heat transfer is typically limited by internal heat transfer(for example, conduction through insulating materials) andconvection around the outside surfaces. However, the heatremoval rate may be substantially increased if the machinecan be throughflow ventilated, i.e., air continually enters fromambient, passes through, and is then expelled.An aspect of thermal modeling not discussed in detail in thispaper is the solid-domain thermal modeling. Heat transfer in thesolid domain (e.g., in iron, copper, polymers, etc.) is by thermalconduction, governed by the heat equation∂T∂t = α∇2T (1)where T is the temperature field, t is the time, and α is thethermal diffusivity of the material. This equation can be solvedanalytically by integration in 1-D cases and by Fourier seriesexpansion in 2-D cases. For complex 2-D and 3-D geometrieswith many different material types and complicated boundaryconditions, LP methods and numerical methods are usuallyapplied. LP thermal network models are a common way toevaluate the thermal performance of electrical machines. Themethod assumes that the spatial distribution of temperaturewithin each different material or subcomponent is uniform.Where this is not the case, subcomponents can be further brokendown into smaller sections to increase the spatial resolutionof the model; this is typically done, for example, within statorwindings. The LP method is fast to compute and therefore canhandle transient calculations with complex load cycles. It hasbeen widely applied; for example, Mellor et al. [8] developedLP models for totally enclosed fan-cooled induction machines,and transient results are compared to experiments and areshown to be quite accurate. LP methods can equally be appliedto disk-type machines; for example, Spooner and Chalmers [9]developed an LP model for an axial-flux permanent-magnet(AFPM) machine and obtained thermal conduction and contact resistances by conducting tests on a dummy rotor. LPmodels must be carefully “tuned” with empirical data, suchas convective heat transfer correlations, to ensure adequateperformance.In summary, air-gap convection is crucial in the thermal modeling of electrical machines in order to achieve accurate results.In certain situations, the air-gap convection is the limiting factorfor heat transfer, for example, in a throughflow-ventilated diskmachine where all heat is removed by air passing over the statorsurface or in a cylindrical induction machine where there maybe significant heating within the rotor.II. PREVIOUS REVIEWSThere are relatively few review papers on the subjectof airflow and convection in rotating electrical machines.Boglietti et al. [2] reviewed the thermal analysis of electricalmachines with a particular focus on LP models. Staton et al.[3]also reviewed the more challenging areas in thermal analysis,which include contact resistances, stator winding conductivity,and convection coefficients, particularly around end windingswhere there are complex flow paths. Staton and Cavagnino[10] reviewed convection in electrical machines, focusing oncorrelations for natural convection around the external casingsof cylindrical geometry machines and also on correlatons forforced cooling with fans or water jackets. They included a smallsection on air-gap heat transfer. Disk-

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เครื่องทำให้เกิดช่องว่างในการพาเครื่องไฟฟ้าหมุน
เดวิดเอวีย์, สมาชิก IEEE ปีเตอร์ RN พระเกศาและแอนดรูเอสโฮล์มส์, สมาชิก IEEE
บทคัดย่อนี้กระดาษคิดเห็นการพาความร้อน
ภายในช่องว่างอากาศของเรขาคณิตทั้งทรงกระบอกและดิสก์หมุน เครื่องใช้ไฟฟ้ารวมทั้งตัวอย่างทำงานที่เกี่ยวข้องกับ
เครื่องใช้ไฟฟ้าแรงม้าเศษส่วน การวิเคราะห์ความร้อนของ
เครื่องไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญเพราะความหนาแน่นของแรงบิดจะถูก จำกัด
โดยอุณหภูมิสูงสุด ความรู้เกี่ยวกับความร้อนของพื้นผิว
การโอน cients Fi COEF เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างแบบจำลองการระบายความร้อนที่ถูกต้อง
ตัวอย่างเช่นการใช้รูปแบบล้างโลกพารามิเตอร์ มีหลากหลายที่มีอยู่
ในร่างกายของวรรณกรรมที่เกี่ยวข้อง แต่มากของมันได้รับแบบดั้งเดิมใน
การใช้งานอื่น ๆ ที่ครอบงำโดยวิศวกรเครื่องกลเช่น
การออกแบบกังหันก๊าซ ความสนใจเป็นพิเศษจึงจะได้รับการ
คำอธิบายของพารามิเตอร์ nondimensional ที่เกี่ยวข้องและเพื่อ
นำเสนอวัดความสัมพันธ์การพาความร้อนสำหรับ
ความหลากหลายของสถานการณ์จากราบเรียบเพื่อป่วนชั้นโอ๊ยที่มีขนาดเล็ก
และขนาดใหญ่ขนาดช่องว่างสำหรับทั้ง radial- ชั้น UX และ axial- ชั้น UX ไฟฟ้า
เครื่อง.
ดัชนีข้อกำหนด-พา, เครื่องใช้ไฟฟ้า, การถ่ายเทความร้อน,
การวิเคราะห์ความร้อน.
I. บทนำ
T
HE วิเคราะห์แม่เหล็กไฟฟ้าของมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็น
เรื่องที่ผู้ใหญ่; ในทางตรงกันข้าม, ความร้อนและอากาศพลศาสตร์
แง่มุมของการออกแบบเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ได้รับอย่างทั่วถึงน้อย
วิจัยถึงวันที่ [1] เครื่องจักรที่ทันสมัยจะต้องมีขนาดกะทัดรัด
น้ำหนักเบาและแรงบิดหนาแน่นและมักจะต้องทนต่อ
สิ่งแวดล้อมและการโหลดสภาพอากาศที่รุนแรง ความรู้เกี่ยวกับ
อากาศชั้นโอ๊ยในเครื่องเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวัตถุประสงค์ในการออกแบบโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ถ่ายเทอากาศช่องว่างการถ่ายเทความร้อนข้อ จำกัด
การพาความร้อนพื้นผิว COEF cients fi, ที่สำคัญสำหรับ
การคำนวณอุณหภูมิที่มีฟังก์ชั่นที่ซับซ้อนของรูปทรงเรขาคณิต
และกลศาสตร์ UID ชั้น บทความนี้พยายามที่จะให้ภาพรวมของ
สถานะของศิลปะในอากาศชั้นโอ๊ยและการพาความร้อนภายในช่องว่างอากาศใน
cylindrical- และเครื่องดิสก์ชนิดที่มีความสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่ง
เกี่ยวกับการวัดการทดลองข้อมูลการพาความร้อนในรูปแบบของ
ความสัมพันธ์ที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในระหว่างการ ออกแบบ นอกจากนี้ยังพยายาม
ที่จะสรุปรูปแบบโอ๊ยทั่วไปชั้นที่อาจเกิดขึ้นบางส่วนของ
ที่มีค่อนข้าง counterintuitive อื่น ๆ หัวข้อความร้อนที่เกี่ยวข้อง
เช่นพารามิเตอร์ล้างโลก (LP) การสร้างแบบจำลองการถ่ายเทความร้อนรังสีความต้านทานการติดต่อความร้อนและสายการวิเคราะห์องค์ประกอบ Nite จะ
ไม่ได้หารือในรายละเอียดตั้งแต่ที่พวกเขาได้รับการคุ้มครองที่อื่น ๆ
เช่นใน [2] และ [3] .
ต้นฉบับที่ได้รับ 31 พฤษภาคม 2010; ปรับปรุง 18 กันยายน 2010; ได้รับการยอมรับ
ที่ 29 พฤศจิกายน 2010 วันที่ของสิ่งพิมพ์ 17 ธันวาคม 2010; วันที่ปัจจุบัน
รุ่นที่ 25 ตุลาคม 2011.
DA วีย์และ PRN พระเกศาอยู่กับภาควิชาวิศวกรรม
เครื่องกล, อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน SW7 2AZ ลอนดอนสหราชอาณาจักร (E-mail:
[e-mail]).
AS โฮล์มส์ กับกรมวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์, อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน SW7 2AZ ลอนดอนสหราชอาณาจักร
รุ่นสีหนึ่งหรือมากกว่าของสาย Gures ในบทความนี้มีอยู่ทั่วไป
ที่ http://ieeexplore.ieee.org.
วัตถุดิจิตอล Identi เอ้อ Fi 10.1109 / คัน .2010.2100337
ในเครื่องไฟฟ้าอุณหภูมิภายในถึงที่
จุดปฏิบัติการให้ต้องได้รับการคาดการณ์ว่าในระหว่างการออกแบบเนื่องจาก
เหตุผลต่อไปนี้.
1) การคำนวณคะแนนสูงสุดอย่างต่อเนื่องต้องใช้รูปแบบการระบายความร้อนที่เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าการให้ระบายความร้อนเพียงพอ SUF Fi เพื่อ หลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปเนื่องจาก
ความหนาแน่นของแรงบิด (และสูงสุด RMS ปัจจุบัน
ความหนาแน่นในขดลวด) จะถูก จำกัด ด้วยความร้อนในเครื่อง
แม่เหล็กไฟฟ้าของการออกแบบที่ดี.
2) อุณหภูมิที่สเตเตอร์ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพในสาย EF เพราะ
ต้านทานของขดลวดทองแดงเพิ่มขึ้นกับ
อุณหภูมิ ยกตัวอย่างเช่นที่ 100 ◦
C ความต้านทานของ
ทองแดงเพิ่มขึ้นเกือบ 30% เมื่อเทียบกับห้อง
อุณหภูมิ.
3) วัสดุเช่นแม่เหล็กถาวร (มีข้อความ) และโพลิเมอร์ที่ใช้ในการก่อสร้างสเตเตอร์สามารถมักจะ
ทนต่ออุณหภูมิสูงสุดอย่างต่อเนื่องประมาณ
150 ◦
C.
4) การคาดการณ์ไม่ถูกต้องนำไปสู่การใช้ความปลอดภัยมากเกินไป
อัตรากำไรขั้นต้น การปรับปรุงจะลดจำนวนของ
การทำซ้ำต้นแบบที่จำเป็นและลดค่าใช้จ่าย.
นี้จะทวีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ แม้จะอยู่ในที่มีขนาดเล็ก
เครื่อง.
อุณหภูมิที่มีอย่างต่อเนื่องสูงเกินไปจะลด
อายุการใช้งานของเครื่องและอาจนำไปสู่ความล้มเหลวที่ร้ายแรง
ความล้มเหลวของกลไกหลักคือรายละเอียดของฉนวนกันความร้อน
รอบขดลวดทองแดงเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันและ embrittlement นี้นำไปสู่การสูญเสียของความแข็งแรงทางกลและในที่สุดความแตกแยกซึ่งอาจก่อให้เกิดการลัดวงจร [4] แม้ว่า
เครื่องใช้ไฟฟ้ามักจะอาจจะมากเกินไปสำหรับช่วงเวลาสั้น
ของเวลาถ้าอุณหภูมิสูงเกินกว่าที่ยอมรับสูงสุด
อุณหภูมิสำหรับชั้นฉนวนกันความร้อนแล้วอายุการใช้งานจะ
สั้นลงอาจจะรุนแรง.
ความล้มเหลวของกลไกที่สองในเครื่อง PM เป็นแม่เหล็กของแม่เหล็ก โดยทั่วไปมักใช้
วัสดุ PM เป็นนีโอดิเมียมเหล็กโบรอน (NdFeB) เส้นโค้งของแม่เหล็ก NdFeB ขึ้นอย่างยิ่งกับอุณหภูมิ
[5]: เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิแม่เหล็กคริสตัลวัสดุ
การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและขนาดของสาขาและ Hc ลดลง.
นอกจากนี้ "หัวเข่า" โค้ง demagnetization ย้าย
ขึ้น ถ้าแม่เหล็กจะดำเนินการใต้เข่ากลับไม่ได้
มีการเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่า
อุณหภูมิแม่เหล็กยังคงเจียมเนื้อเจียมตัวอยู่ตลอดเวลา.
ความร้อนภายในเครื่องไฟฟ้าเป็นผลมาจากการสูญเสีย.
อุณหภูมิถึงอยู่ภายใต้ความสมดุลระหว่าง
ความร้อนที่เกิดความร้อนออกและความสามารถในการระบายความร้อน.
แหล่งที่มาหลักของการสูญเสียเป็นจูล (I
2
R) การสูญเสียในขดลวด,
การสูญเสียแกนเนื่องจากกระแสน้ำไหลวนและฮีและเครื่องจักรกล
0278-0046 / $ 26.00 © 2010 IEEE1368 IEEE การทำธุรกรรมบน อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม, VOL 59, NO 3 มีนาคม 2012
ตารางที่ I
พึ่งพาอาศัยกันของการสูญเสียพลังงานในเครื่องและ
พารามิเตอร์ปฏิบัติการ [6] [7]
การสูญเสีย ฉันตารางแสดงประมาณวิธีการเหล่านี้ขึ้นอยู่กับ
พารามิเตอร์ปฏิบัติการต่าง ๆ ในเครื่องใช้ไฟฟ้า: ผมเป็น
สเตเตอร์ปัจจุบัน R คือความต้านทานสเตเตอร์, Ωคือความเร็วเพลา,
m คือมวลเครื่อง D คือขนาดใบพัด, L คือโรเตอร์
ความยาวแกน B เป็นชั้นแม่เหล็กเฉลี่ยความหนาแน่น UX และρเป็น
ช่องว่างอากาศหนาแน่น UID ชั้น.
จำนวนของปัจจัยกำหนดอัตราการกำจัดความร้อนใน
เครื่องไฟฟ้าระบายความร้อนด้วยอากาศ เรขาคณิตและวัสดุ
พื้นที่ผิวและขนาดเครื่องมีผลกระทบ เนื่องจากมีผลขาดทุน
ประมาณสัดส่วนกับปริมาณ L
3
(โดยที่ L คือความยาว
มิติ) พื้นที่ผิวเป็นสัดส่วนกับ L
2
และการระบายความร้อน
อาจจะมากขึ้นของความท้าทายในเครื่องขนาดใหญ่ นอกจากนี้หาก
เครื่องถูกปิดล้อมโดยสิ้นเชิงอากาศจะหมุนเวียนภายในและ
การถ่ายเทความร้อนจะถูก จำกัด โดยทั่วไปการถ่ายเทความร้อนภายใน
(ตัวอย่างเช่นการนำผ่านวัสดุฉนวน) และ
การพาความร้อนรอบพื้นผิวด้านนอก อย่างไรก็ตามความร้อน
อัตราการกำจัดอาจจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญถ้าเครื่อง
สามารถผ่านชั้นโอ๊ยอากาศถ่ายเทได้สะดวกเช่นอากาศอย่างต่อเนื่องเข้ามาจาก
ภายนอกผ่านและถูกไล่ออกแล้ว.
ทุกแง่มุมของการสร้างแบบจำลองการระบายความร้อนไม่ได้หารือในรายละเอียดในเรื่องนี้
กระดาษ solid- การสร้างแบบจำลองความร้อนโดเมน การถ่ายเทความร้อนใน
ของแข็งโดเมน (เช่นในเหล็ก, ทองแดง, โพลิเมอร์, ฯลฯ ) เป็นความร้อนโดย
การนำควบคุมโดยสมการความร้อน
∂T
∂t = α∇2
T (1)
ที่ T คือไฟไหม้ไฟอุณหภูมิทีเป็น เวลาและαเป็น
แผ่กระจายความร้อนของวัสดุ สมการนี้จะสามารถแก้ไขได้
วิเคราะห์โดยบูรณาการในกรณีที่ 1-D และชุดฟูริเย
ขยายตัวใน 2 มิติกรณี สำหรับซับซ้อน 2 มิติและรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติ
กับประเภทวัสดุที่แตกต่างกันและมีความซับซ้อนขอบเขต
เงื่อนไขวิธีแผ่นเสียงและวิธีการเชิงตัวเลขมักจะ
นำมาใช้ รุ่น LP เครือข่ายความร้อนเป็นวิธีการทั่วไปในการ
ประเมินประสิทธิภาพการควบคุมอุณหภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้า
วิธีอนุมานว่าการกระจายของอุณหภูมิ
ในแต่ละวัสดุที่แตกต่างกันหรือคอมโพเนนต์ย่อยเป็นชุด.
ที่นี้ไม่ได้เป็นกรณีที่ส่วนประกอบย่อยสามารถหักเพิ่มเติม
ลงไปในส่วนที่มีขนาดเล็กลงเพื่อเพิ่มความละเอียดเชิงพื้นที่
ของรูปแบบ; นี้จะทำโดยทั่วไปเช่นภายในสเตเตอร์
ขดลวด วิธี LP เป็นไปอย่างรวดเร็วในการคำนวณและดังนั้นจึงสามารถ
จัดการกับการคำนวณชั่วคราวกับวงจรโหลดที่ซับซ้อน มันได้
ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย; ตัวอย่างเช่นเมลเลอร์และคณะ [8] การพัฒนา
รุ่น LP สำหรับปิดล้อมโดยสิ้นเชิงเครื่องเหนี่ยวนำพัดลมระบายความร้อน,
และผลการชั่วคราวเมื่อเทียบกับการทดลองและมีการ
แสดงให้เห็นว่ามีความถูกต้องมากทีเดียว วิธีการ LP อย่างเท่าเทียมกันสามารถนำมาใช้
กับเครื่องดิสก์ชนิด; ยกตัวอย่างเช่นสปูนเนอร์และบิล [9]
การพัฒนารูปแบบแผ่นเสียงสำหรับ UX ชั้น axial- แม่เหล็กถาวร
(AFPM) เครื่องและได้รับการนำความร้อนและความต้านทานการติดต่อโดยการดำเนินการทดสอบบนโรเตอร์หุ่น LP
รุ่นจะต้องระมัดระวัง "ปรับ" กับข้อมูลเชิงประจักษ์เช่น
เป็นความสัมพันธ์การพาความร้อนเพื่อให้แน่ใจว่าเพียงพอ
ประสิทธิภาพ.
ในการสรุปการหมุนเวียนอากาศช่องว่างเป็นสิ่งสำคัญในการสร้างแบบจำลองทางความร้อนของเครื่องไฟฟ้าเพื่อให้บรรลุผลลัพธ์ที่ถูกต้อง.
ในบางสถานการณ์ การหมุนเวียนอากาศช่องว่างที่เป็นปัจจัยที่ จำกัด
สำหรับการถ่ายโอนความร้อนเช่นในผ่านชั้นดิสก์โอ๊ยการระบายอากาศ
เครื่องที่ความร้อนทั้งหมดจะถูกลบออกโดยผ่านอากาศเหนือสเตเตอร์
พื้นผิวหรือในเครื่องชักนำทรงกระบอกที่มีอาจ
จะเป็นไฟความร้อนลาดเทนัยสำคัญภายใน โรเตอร์.
ครั้งที่สอง ความคิดเห็นเกี่ยวกับก่อนหน้านี้
มีการตรวจสอบเอกสารที่ค่อนข้างน้อยในเรื่อง
ของอากาศชั้นโอ๊ยและการพาความร้อนในการหมุนเครื่องใช้ไฟฟ้า.
BOGLIETTI และคณะ [2] การตรวจสอบการวิเคราะห์ความร้อนไฟฟ้า
เครื่องที่มีความสนใจเป็นพิเศษในรูปแบบแผ่นเสียง Staton et al. [3]
นอกจากนี้ยังมีการตรวจสอบพื้นที่ที่ท้าทายมากขึ้นในการวิเคราะห์ความร้อน
ซึ่งรวมถึงความต้านทานการติดต่อการนำสเตเตอร์คดเคี้ยว
และ cients COEF พา fi, โดยเฉพาะอย่างยิ่งรอบปลายลวด
ที่มีความซับซ้อนเส้นทางโอ๊ยชั้น Staton และ Cavagnino
[10] การพาความร้อนในการตรวจสอบเครื่องใช้ไฟฟ้าโดยมุ่งเน้นที่
ความสัมพันธ์สำหรับการพาความร้อนธรรมชาติรอบตัวปลอกภายนอก
ของเครื่องเรขาคณิตทรงกระบอกและยัง correlatons สำหรับ
บังคับให้ระบายความร้อนด้วยพัดลมหรือแจ็คเก็ตน้ำ พวกเขารวมขนาดเล็ก
ส่วนบนอากาศช่องว่างการถ่ายเทความร้อน Disk-

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

ช่องว่างของอากาศในการพาความร้อนหมุนเครื่องไฟฟ้า
ดาวิด . ฮาววี่ย์ , สมาชิก , IEEE , ปีเตอร์ อาร์ เอ็น ของเด็ก และ Andrew S . โฮล์มส์ , สมาชิก , IEEE
บทคัดย่อกระดาษรีวิวนี้ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน
ภายในช่องว่างอากาศและหมุนทรงกระบอก เรขาคณิตดิสก์ทั้งเครื่องไฟฟ้า รวมทั้งตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับ
เศษส่วนแรงม้า ไฟฟ้าเครื่องจักร การวิเคราะห์ทางความร้อนของ
เครื่องจักรไฟฟ้าเป็นสำคัญ เพราะความหนาแน่นของแรงบิด จำกัด
โดยอุณหภูมิสูงสุด ความรู้ของพื้นผิวโดยการโอนความร้อน
coef จึง cients ที่จําเป็นสําหรับการระบายความร้อนที่ถูกต้อง
ตัวอย่างเช่นการใช้ก้อนพารามิเตอร์โมเดล มีอยู่เนื้อความกว้าง
ของวรรณกรรมที่เกี่ยวข้อง แต่ส่วนมากมันมีประเพณีในพื้นที่การใช้งานอื่น ๆ
,
dominated โดยวิศวกร เช่นการออกแบบกังหันก๊าซ ความสนใจเฉพาะ จึงให้คำอธิบายของพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง nondimensional

และการนำเสนอวัดโดยการถ่ายโอนความร้อนความสัมพันธ์สำหรับ
หลากหลายของสถานการณ์จากการไปป่วนflโอ๊ยที่ขนาดเล็กและขนาดใหญ่ ทั้งช่องว่าง
- fl ux รัศมีและแนวแกน - flเครื่องจักรไฟฟ้า

ดัชนีแบบเงื่อนไข ux . เครื่องจักรไฟฟ้าการวิเคราะห์ความร้อนการถ่ายเทความร้อน ,
.
ผมแนะนำ
T
เขาแม่เหล็กไฟฟ้าการวิเคราะห์ของมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็น
ผู้ใหญ่เรื่อง ; ในทางตรงกันข้าม , ความร้อนและอากาศพลศาสตร์
แง่ของการออกแบบเครื่องจักรกลไฟฟ้าได้รับน้อยอย่างละเอียด
วิจัยวันที่ [ 1 ] เครื่องจักรที่ทันสมัยจะต้องกะทัดรัด
เบาและแรงบิดที่หนาแน่น และมักจะต้องทนต่อ
extreme โหลดสิ่งแวดล้อมและเงื่อนไขความรู้
อากาศflโอ๊ยในเครื่องเป็นสิ่งสำคัญเพื่อวัตถุประสงค์ในการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ช่องอากาศถ่ายเทความร้อนแบบจำกัด .
พื้นผิวการถ่ายเทความร้อนโดย coef cients จึงสำคัญสำหรับ
การคำนวณอุณหภูมิ มีการทำงานที่ซับซ้อนของเรขาคณิต
fl uid และกลศาสตร์ บทความนี้มุ่งที่จะให้ภาพรวมของ
สถานะของศิลปะในโอ้ยอากาศflและการพาความร้อนในอากาศช่องว่างใน
ทรงกระบอก - และดิสก์เครื่องชนิดที่มีเฉพาะเน้นการทดลองวัด

พาข้อมูลที่อยู่ในรูปของความสัมพันธ์ที่สามารถใช้ในการออกแบบ มันยังหา
สรุปโดยทั่วไป flโอ๊ยรูปแบบที่อาจเกิดขึ้นบาง
ซึ่งค่อนข้างขัดกับความรู้สึก อื่น ๆหัวข้อที่เกี่ยวข้องความร้อน
เช่นก้อนพารามิเตอร์ ( LP ) แบบจำลองการถ่ายเทความร้อน รังสีความต้านทานความร้อนและการวิเคราะห์องค์ประกอบจึงติดต่อ , ไนท์ ,
ไม่กล่าวถึงในรายละเอียดเนื่องจากพวกเขาได้รับการคุ้มครองจากที่อื่น
เช่นใน [ 2 ] และ [ 3 ] .
ต้นฉบับได้รับพฤษภาคม 31 , 2010 ; แก้ไขกันยายน 18 , 2010 ; ยอมรับ
29 พฤศจิกายน 2010 วันที่ประกาศ 17 ธันวาคม 2010 ; รุ่นปัจจุบัน
วันที่ 25 ตุลาคม 2554 .
D . . ฮาววี่ย์ PR . และเด็กกับภาควิชาเครื่องกล
วิศวกรรม , อิมพีเรียลคอลเลจ ลอนดอน , sw7 2az ลอนดอน , อังกฤษ ( e :
d.howey @ อิมพีเรียล ac.uk )
. S . Holmes กับภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ อิมพีเรียลคอลเลจ ลอนดอน , sw7 2az ลอนดอน , อังกฤษ
สีรุ่นหนึ่งหรือมากกว่าของจึง gures ในกระดาษนี้จะพร้อมใช้งานแบบออนไลน์
ที่ http : / / ieeexplore . IEEE . org .
identi วัตถุดิจิตอลจึงเป็น 10.1109 2010.2100337
/ ผูกในเครื่องจักรไฟฟ้า ภายในอุณหภูมิถึงจุดทำงานที่
ให้ต้องคาดการณ์ในระหว่างการออกแบบเนื่องจากเหตุผลต่อไปนี้
.
1 ) การคำนวณคะแนนสูงสุดต่อเนื่องต้องมีรูปแบบความร้อนเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่า การให้ความเย็นซุฟจึง cient เพื่อหลีกเลี่ยง overheating ตั้งแต่
บิดความหนาแน่น ( และดังนั้น สูงสุดในปัจจุบัน
เรืความหนาแน่นในขดลวด ) ซึ่งจำกัดเครื่องจักร
การออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดี .
2 ) ค่าอุณหภูมิมีผลต่อประสิทธิภาพ เพราะ EF จึง
ความต้านทานของขดลวดทองแดงเพิ่มขึ้น
อุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น ที่ 100 ◦
C
สภาพต้านทานไฟฟ้าของทองแดงที่เพิ่มขึ้นเกือบ 30% เมื่อเทียบกับอุณหภูมิห้อง

3 ) วัสดุเช่นแม่เหล็กถาวร ( PMS ) และวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างโดยทั่วไป
เตอร์เท่านั้นที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงสุดต่อเนื่องประมาณ 150 ◦
C

4 ) ทำนายไม่ถูกต้องนําไปใช้ขอบตู้
มากเกินไป การปรับปรุงจะลดจำนวน
ต้นแบบซ้ำที่ต้องการและลดต้นทุน
นี้เป็นสำคัญยิ่งขึ้นแม้ในเครื่องเล็ก

มีอุณหภูมิที่สม่ำเสมอที่สูงเกินไปจะลด
อายุการใช้งานของเครื่อง และอาจนำไปสู่ปัญหาความล้มเหลว
กลไกความล้มเหลวหลักคือรายละเอียดของฉนวนขดลวดทองแดง
รอบเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันและ embrittlement . นี้นำไปสู่การสูญเสียความแข็งแรงเชิงกล และในที่สุด การแตก ซึ่งอาจก่อให้เกิดวงจร [ 4 ] สั้น แม้ว่า
เครื่องจักรไฟฟ้าอาจจะมากเกินไปสำหรับรอบระยะเวลาสั้น
ของเวลา ถ้าอุณหภูมิเกินขีดจำกัดสูงสุดที่ยอมรับได้สำหรับฉนวนกันความร้อนที่ระดับอุณหภูมิ

แล้วอายุการใช้งานจะสั้นลง บางทีอย่างรุนแรง
กลไกความล้มเหลวที่สองในเครื่องจักร PM เป็น demagnetization ของแม่เหล็ก ที่ใช้กันมากที่สุดคือวัสดุ neodymium
PM –เหล็ก–โบรอน ( NdFeB )การ demagnetization เส้นโค้งของ NdFeB ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
[ 5 ] : เป็นแม่เหล็กเพิ่มอุณหภูมิ , การเปลี่ยนแปลงของวัสดุคริสตัล
โครงสร้างและขนาดของห้องนอนและ HC ลดลง .
นอกจากนี้ " เข่าโค้ง " ใน demagnetization ย้าย
ขึ้น ถ้าแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงแก้ไขไม่ได้
ใต้เข่า เกิดขึ้น ทำให้มันสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่า
อุณหภูมิแม่เหล็กยังคงเจียมเนื้อเจียมตัวตลอดเวลา
ความร้อนภายในเครื่องจักรไฟฟ้าเป็นผลขาดทุน
อุณหภูมิถึงถูกควบคุมโดยความสมดุลระหว่าง
ความร้อนที่เกิดขึ้น ความร้อนออก และความจุความร้อน .
แหล่งหลักของการสูญเสียเป็นจูล ( I
2
r ) ความสูญเสียในขดลวด
, ขาดทุนหลักเนื่องจากกระแสวน และแบบ และกล 0278-0046 /
$ 26