Asenkron motorun ısıl modellemesi ve hava aralığındaki akışın ısınma üzerine etkisinin araştırılması
Thermal modelling of induction motor and investigation of air gap flow effect on temperature rise
Yazar: HALİL NACİ TOP
Danışman: DR. HAKAN ÖKSÜZOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Asenkron tip elektrik motoru ucuzluğu ve kolay imalat imkanları sebebiyle ulaşımdan endüstriyel üretim tesislerine, çok geniş güç aralıklarındaki sayısız güç sistemi uygulamasında yaygın şekilde kullanılmaktadır. Yapısının basitliğine karşın, ileri seviye bir tasarım ve kontrol uygulaması yardımıyla çok yüksek verimlere ulaşabilmesi bu kadar çok tercih edilmesi için temel nedendir. Bilhassa raylı taşıt uygulamalarında en çok kullanılan tahrik motoru konumuna gelen asenkron motorların uygulamalarda güç seviyesi 1500 kW mertebelerine ulaşabilmektedir. 
Bu kadar yüksek güç üretebilen bu elektromekanik sistemlerin parçaları üzerinde yoğun ısıl kayıplar meydana gelmektedir. Motorun yüksek verimliliğini korurken daha yüksek güç seviyelerine çıkabilmesi sistem üzerinde oluşan ısının başarılı şekilde uzaklaştırılmasına bağlıdır. Asenkron motorlar için geliştirilen mevcut soğutma sistemleri, motorun kullanılmaya başlandığı otomotiv gibi yeni sahalarda istenen seviyede kompakt olamamaktadır. Bu gelişmeler asenkron motorlarda güç yoğunluğunun artırılabilmesi için daha gelişmiş ve küçük hacimlere sığan soğutma sistemleri geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır.
Artık ciddi bir mühendislik iş yükü getiren asenkron motor soğutma sistemlerinin  geliştirilme çalışmaları için, motorun termal davranışlarının daha iyi anlaşılabilmesi gerekmektedir. Bu yüzden mevcut çalışmada, motorun termal davranışlarını incelemek için en geçerli yaklaşımlardan ve hesaplama araçlarından faydalanılarak modelleme çalışmaları yapılmıştır. Oluşan model kullanılarak yapılan hesaplamalar çalışmada incelenen motorun, gerçekleştirilen performans testlerinden alınan verilerle kıyaslanarak değerlendirilmiştir. Motor sıcaklık dağılımı üzerinde mutlaka dikkate alınması gereken bir etkiye sahip olan hava aralığındaki akışın karakteri araştırılmıştır. Motor farklı hız kademelerinde bileşik ısı ve akış analizlerine tabi tutularak, oluşan akış tipinin taşınım parametreleri üzerindeki etkileri de incelenmiştir.
Öncelikle literatürde hava aralığındaki akışın temelini oluşturan Taylor Couette akışı ve dönen eş merkezli silindirler arasında ısı transferi konularındaki çalışmalar incelenmiştir. İncelenen motorun işletme koşullarında hava aralığındaki akış rejimini tespit etmek için hesaplamalar yapılmıştır.
Bu kapsamda incelenen motor, araç çekiş sistemi için tasarlanmış bir asenkron motordur. Bu motor, içine yerleştirildiği su soğutmalı alüminyum gövde tarafından soğutulmaktadır. Motorun parçalarıyla beraber geometrisi hakkında bilgi verilmiştir. Motorun elektriksel ve manyetik tasarımlarının çıktısı olan kayıp değerleri istenen çalışma noktaları için temin edilmiştir. Böylelikle motorun hangi aksamında ne kadar ısı üretildiği bilgisi elde edilmiştir. Elektrik motorlarının imalatında kullanılan malzemelerin ısıl özellikleri araştırılmış ve bu çalışmada kullanılan değerler sunulmuştur. Sayısal analiz çalışmaları için kullanılan sonlu hacimlerin elde edilmesi için yapılan basitleştirme çalışmaları anlatılmıştır.
Modelleme çalışmalarında, elektrik motorlarının imalat yöntemlerinden kaynaklanıp, motor içindeki ısı yayılımına önemli etkiler yapan bazı kusurlara özel önem gösterilmiştir. Örneğin motor üzerinde belirgin ısıl temas direnci görülen yüzeyler için ısıl temas iletkenliği değeri araştırılmış, ulaşılan değerler analiz çalışmalarında kullanılmıştır. Motorun en kritik parçası olduğu halde en kötü ısıl iletim değerlerine sahip olan stator sargılarının yalıtımı da imalat yöntemine bağlı olarak tabakalı ve gözenekli bir yapı göstermektedir. Bu sebeple bu çalışmada sargı yalıtımı detaylı olarak modellenmiştir.
Mevcut çalışmada motorun dışındaki su soğutmalı gövde içindeki akış, bileşik ısı akış analizine dahil edilmemiş, ayrı bir hesaplama çalışması yapılmıştır. Farklı çalışma noktalarındaki farklı ısıl kayıp değerleri, yüzeyinden sabit ısı akılı ısı değiştirici kabulüyle yapılan hesaplamalarda uygulanmıştır. Sayısal analizde periyodikliklerden faydalanmak için yapılan geometrik basitleştirmeler gövde üzerinde bulunan bu su kanallarının geometrisinde ve su debisi değerinde değişikliğe gidilmesini zorunlu kılmıştır. Bunun için, su hattı gerçek motor geometrisi ve model için ayrı ayrı HAD analizi ile incelenmiş, yüzeyde taşınım katsayısı ve su çıkış sıcaklığı değerleri elde edilmiştir. Bu değerler termodinamik bağıntılar yardımıyla tutarlılık açısından kontrol edilmiş, yapılan geometrik modifikasyonun motor üzerinde ciddi sıcaklık farklarına yol açmadığından emin olunmuştur. Model için elde edilen soğutma kanalı yüzeyinde ısı taşınım katsayısı ve kanal cidar sıcaklığı değerleri motor için yapılan bileşik ısı akış analizinde ilgili yüzeylerde uygulanmıştır.
Motor içinde ısı üretilen eş merkezli silindirik parçalar arasında kalan hava aralığı, bütün motor hacmi içinde bileşik ısı & akış analizi ile incelenmiştir. Motor içindeki baskın ısı transfer mekanizmalarını oluşturan iletim ve zorlanmış taşınım dışında, doğal taşınım ve ışınım etkileri ayrıca hesaplanmıştır. Motorun çalışma aralığında her ikisinin de ihmal edilebilir olduğu görülse de, ışınım için hesaplanan ısı transfer katsayısı eş merkezli silindirik yüzeyler arasında tanımlanarak analiz çalışmasına dahil edilmiştir. Bu şekilde motorun 14 ve 20 kW güç ürettiği durumların simülasyonu yapılmıştır.
İmal edilen motor prototipi, elektrik motor test sistemi üzerinde performans testine tabi tutulmuştur. Test, IEC 60034-1 standardı S1 görev tipi esas alınarak yürütülmüştür.  Test sırasında, stator sargılarının üzerinde iki noktadan sıcaklık değerleri ısıl dengeye ulaşılıncaya kadar kaydedilmiştir. Motor, simülasyonlarda kullanılan 14 ve 20 kW seviyesindeki ısıl kayıpların oluştuğu çalışma noktalarında koşturulmuş, sıcaklık artış eğrileri sunulmuştur.
Simülasyonların sonucunda motorun eksenel kesit alanı üzerinde sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Sargı sıcaklığı değerleri kesit üzerinden alınmıştır. Bu değerler sargının stator içinde kalan kısmının ortalaması olduğu için, testlerde ölçüm alınan sargı kesidinin sıcaklığını elde edebilmek için düzeltilmiş sargı sıcaklığı hesaplaması yapılmıştır. Ölçülen ve hesap edilen tüm sıcaklıklar açıkça çizelgede sunulmuştur. Modelden elde edilen sıcaklık ile test sonuçları arasındaki hata seviyesi, incelenen her kademede %1,0 seviyesinde kalmıştır.
Sıcaklık verileri ile doğrulanan model, Taylor akışının hava aralığındaki ısı transferi performansına etkilerinin gözlemlenebilmesi amacıyla daha yüksek devir sayısı kademelerinde gerçekleştirilen simülasyonlarda kullanılmıştır. Yükselen devir sayılarına karşılık, Taylor vortekslerinin oluştuğu kritik hız seviyesine kadar tanımlanan hava aralığı Nusselt sayısında (Nue) hiçbir artış görülmemiştir. Kritik hız geçilince ısı transferinde dramatik bir artış ortaya çıkmıştır. Bu etkinin sargı sıcaklıklarında neden olduğu artış da ortaya konulmuştur.
Döner makinaların ısıl modellemesine giriş niteliğindeki bu çalışmanın literatürdeki çalışmalar içerisindeki konumu anlatılmıştır. Mevcut çalışmada geliştirilebilecek unsurlar ve elektrik motor performansının artırılması kapsamında gelecekte yapılması hedeflenen çalışmalardan bahsedilmiştir.

Abstract:
Induction motor is commonly used in wide range of power system applications such as, transportation and industrial production facilities, due to its cheap and easy manufacturing possibilities. In addition to the simplicity of its structure, it can achieve very high efficiency with the help of advanced design and control applications. Having the most widely used drive system particularly in railway traction systems, induction motors can reach a power level of 1500 kW in field operations.
Obviously there are intense thermal losses on the different parts of these electromechanical systems that produce such high power levels. The ability of the motor to reach higher power levels while maintaining high efficiency, depends on the heat disspation from the system successfully. Existing cooling systems developed for induction motors, can not be as compact as desired while the duty cycles of motor is getting more and more fatiguing as the demand rises in hi-tech industries such as automotive. Because of these circumstances it is necessary to develop more sophisticated and compact systems in order to increase the power density of induction motors.
There is a need for better understanding of the thermal behavior of the motor in order to improve the performance on motor cooling systems, as it gets more challenging in complicated applications. Therefore, in the present study, a physical model has been carried out by using the most valid approaches and calculation tools for examining the thermal behaviors of the motor. The solutions obtained by using the resulting model were evaluated by comparing the data of the motor performance tests in the study. The flow character of the air gap, which has an exceptional impact on the motor temperature distribution, was analyzed at different speeds and the effects on heating were also examined.
Firstly, studies on the Taylor Couette flow and the heat transfer between rotating concentric cylinders, which form the basis of the flow in the air gap, have been researched. Calculations made to determine the flow regime of the air gap under operating conditions of the motor studied.
For these purposes, an asynchronous motor, which is designed for electric vehicle traction system, has been studied. The motor package is placed into a water-cooled aluminum frame. Visuals and some information about the geometry of the motor and the parts of it, are given in the modelling chapter. The thermal loss values of each part of the motor are obtained from the electrical and magnetic designs & analysis for certain operating conditions. The thermal properties of the materials of electric motor parts have been investigated and the values used in this study are presented. Modifications of geometry to obtain the finite volumes used for numerical analysis studies are described.
During modeling efforts, special attention was paid to some defects resulting from manufacturing methods. These defects have some crucial effects on the heat dissipation characteristics of the electric motor. For instance, the thermal contact conductance values of the surfaces with significant thermal contact resistance have been researched and obtained values are used in the analysis studies. The insulation of the stator windings, which has the worst thermal conductance level, is the most critical part of the motor. This material has a layered and porous structure depending on the manufacturing method. For this reason, a detailed model has been composed for the winding insulation in this study.
In the present study, the flow in the water-cooled housing excluded from the conjugate heat & flow analysis work and calculated separately. Different heat loss values of each load condition have been applied on the calculations of heat exchanger with constant heat flux from the surface. It became a necessity to make changes on the geometrical dimensions of the water channel on the housing and water flow rate, to use periodic boundary conditions on numerical analysis. The model and the actual channel geometry was analyzed with CFD tool individually. Therefore, the surface convection coefficients and the temperature on the outlet section of water channel obtained. These values were checked for consistency using thermodynamic relations so that it was ensured that the geometrical modifications did not lead to significant temperature differences on the motor. The surface heat transfer coefficients and average Wall temperature values obtained from relation are applied to the relevant surfaces in the conjugate heat & flow analysis.
The air gap between concentric cylindrical parts which the heat generated inside, examined by a conjugate heat & flow analysis of the axially and rotationally periodic motor volume. Except for the transmission and forced convection, which constitute the dominant heat transfer mechanisms in the motor, the natural convection and radiation effects are also calculated. The radiation heat transfer coefficient is included in the analysis study by defining between the concentric cylindrical surfaces, although it was seen that both the natural convection and the radiation are negligible in the working range of the motor. 14 and 20 kW operating conditions of motor were simulated this way.
The manufactured motor prototype was subjected to a performance test on the electric motor test system. The test was carried out on the basis of the standard duty type S1 stated in IEC 60034-1. During the test, the temperature values on the two positions of the stator windings were measured and recorded. The motor was run at operating conditions where the thermal losses used in the simulations occur (14 and 20 kW briefly), and the temperature rise curves of these tests are presented.
As a result of the simulations, temperature distributions were obtained over the axial cross-sectional area of the motor. Winding temperature values were taken over the distributions. Since these values are the average of the coil segment remaining in the stator slots, the corrected winding temperature calculation is performed in order to obtain the temperature of the winding section measured in the tests. All measured and calculated temperatures are clearly presented on a chart. The error level between the temperature obtained from the model and the test results were remained around %1,0 level for both power stages considered.
The model confirmed by the temperature data was used in simulations carried out at higher speeds, in order to observe the effects of the Taylor flow on the heat transfer performance in the air gap. There was no increase on the defined air gap Nusselt number (Nue), with the rising rotation speed until the critical speed was reached where the Taylor vortices are formed. A dramatic increase on the heat transfer occurred when the critical speed was exceeded. The increasing effect caused by this situation on winding temperatures is also demonstrated.
As a starting point for thermal modelling of rotating machines, relevance of this study has been dicussed in the context of current literature. Additionally, the possible further progress and the future plans on studies are mentioned in the scope of motor performance improvement efforts.