Széchenyi István Egyetem Gépészmérnöki, Informatikai és Villamosmérnöki Kar SZAKDOLGOZAT. Jani Sebestyén György Gépészmérnök BSc szak

Széchenyi István Egyetem Gépészmérnöki, Informatikai és Villamosmérnöki Kar

SZAKDOLGOZAT

Jani Sebestyén György Gépészmérnök BSc szak

2015 Jani Sebestyén György JgBSc N

2015

SZAKDOLGOZAT Indukciós motor hőmérsékleti jelenségeinek analízise Jani Sebestyén György

Gépészmérnöki BSc szak Járműgépész

2015

Feladatkiírás Hallgató adatai: név: Jani Sebestyén György szak: Gépészmérnök BSc specializáció: Járműgépész

Neptun-kód: DI2I57

Cím: Indukciós motor hőmérsékleti jelenségeinek analízise Feladatok leírása: 1. Szakirodalmi kutatás és összefoglaló az alábbi témakörökben:  Villamos gépek  Járműhajtásra használható villamos motorok  Villamos motorok hűtése 2. A kapott motor bemutatása 3. A villanymotorban keletkező hőközlések módjainak meghatározása 4. A levegővel való hűtés hatásának bemutatása végeslesmhálózó szimuláció segítségével 5. A vízzel való hűtés hatásának bemutatása végeslesmhálózó szimuláció segítségével

Belső konzulens adatai: Név: Czeglédi Dávid Munkahely: Széchenyi István Egyetem, Közúti és Vasúti Járművek Tanszék Beosztás: egyetemi tanársegéd

Győr, 2015. szeptember 11.

______________________

______________________

Czeglédi Dávid, egyetemi tanársegéd

Dr. Habil. Lakatos István, Általános dékánhelyettes tanszékvezető egyetemi docens

Nyilatkozat Alulírott, Jani Sebestyén György (DI2I57), Gépészmérnök, BSc szakos hallgató kijelentem, hogy Az indukciós motorok hőmérsékleti jelenségeinek analízise hűtése című szakdolgozat feladat kidolgozása a saját munkám, abban csak a megjelölt forrásokat, és a megjelölt mértékben használtam fel, az idézés szabályainak megfelelően, a hivatkozások pontos megjelölésével. Eredményeim saját munkán, számításokon, kutatáson, valós méréseken alapulnak, és a legjobb tudásom szerint hitelesek.

Győr, [2015.12.11]

_______________________ hallgató

Kivonat Indukciós motor hőmérsékleti jelenségeinek analízise A mai társadalomban a mobilitás legfontosabb eszköze közutakon a gépjármű. A közutakon közlekedő gépjárművek hajtómotor típusai közül legnagyobb százalékban a belsőégésű motorok szerepelnek. A mai technológia szerint még a legnagyobb korlátozások, és a kipufogógáz károsanyagkibocsájtásának csökkentése érdekében történő legnagyobb átalakítások sem képesek a belsőégésű motorok károsanyag emisszióit egy bizonyos érték alá vinni, és ez a mai környezetszennyezés szintjének tudatában, azt vetíti előre, hogy a belsőégésű motorok egyre jobban kénytelenek lesznek kiszorulni a járműalkalmazásokból. Több téren próbálkoznak áttörést elérni annak érdekében, hogy a belsőégésű motorokat valamilyen más energiát felhasználó motorral helyettesítsék. A jelenlegi álláspont szerint a tisztán villamos, a hibrid, illetve a közvetett módú villamos hajtás lesz az amely képes lesz helyettesíteni a fosszilis energiahordozót felhasználó belsőégésű motorokat. Mivel ezekben a fajta hajtásokban mind megtalálható a villanymotor, ezért a járműalkalmazásokban való fejlesztéseknek fontos részét kell, hogy képezzék a villanymotorok fejlesztése. Mivel a veszteségek hőt termelnek, ezért az elektromos motorok fejlesztésében a kialakult hőmérséklet meghatározásából könnyen lehet következtetni a motor hatékonyságára is. A hagyományos módon, mérési eredmények alapján történő keletkező hőmérsékletek meghatározása gyakran drága, bonyolult, és nem is minden esetben kivitelezhető. Bár ezek a mérések pontosabb értéket adnak vissza a keletkezett hőmennyiségről, a végeselem és hálózó programok segítségével mégis egy elég jó becslést lehet kapni a motor melegedéseiről, sőt a motor belső részeiben végbemenő hőterjedéséről is, amit mérés útján nem lehet megmérni. Ezért a villanymotorok belső melegedéseiről történő, matematikai modelleken alapuló, számítógépes analízis az utóbbi időben igazán fontossá vált.

Abstract The analysis of heating of electric induction motors The most important tool of mobility in our society is motor vehicle. The great majority of transport vehicles are operated by engines of internal-combustion. It can be stated that even applying engines of the most sophisticated technological levels the engines of internalcombustion cannot decrease the level of harmful emissions under a certain level, and the foreseeable prescriptions will not be fulfilled. It is supposed that the engines of internalcombustion will be supplanted from vehicle applications. There are different undertakings to supplement engines of internal-combustion. According to present view the possible candidates to replace are classical standard electric motors, hybrids, and indirect electric motors. Since all in this projects electric motor figures as a central part of the solutions their development must play a central role in the development. Since the losses develop heat, a strict definition of heat emissions is essential for the definition of efficiency. The measurements of temperatures using conventional methods are often difficult, expensive, and cannot be applied in all practical cases. Although these measurement result in higher precision of heat developed, using finite elements computational methods give good estimations of heat developed in the motor body, and the subsequent heat transfer, which cannot be straightforwardly followed by temperatures measurement. This is because, the computational analysis of heat transfer in motors became so important recently.

TARTALOMJEGYZÉK

1. BEVEZETÉS ................................................................................................................ 1 2. A VILLAMOS MOTOROK MŰKÖDÉSE, ALKALMAZÁSA JÁRMŰVEKBEN ....................... 1 2.1 VILLAMOS GÉPEK .......................................................................................................... 1 2.1.1 Villamosenergia-rendszer ................................................................................... 1 2.1.2 Villamos gép ....................................................................................................... 1 2.1.3 Villamos motorok ............................................................................................... 2 2.1.4 A fosszilis energiahordozók felváltása a járműalkalmazásokban ....................... 4 2.2 JÁRMŰHAJTÁSRA ALKALMAS VILLAMOS MOTOROK ...................................................... 6 2.2.1 A villamos járművek energiaellátása .................................................................. 6 2.2.2 A vontatás kritériumai......................................................................................... 7 2.2.3 Egyenáramú hajtások .......................................................................................... 8 2.2.4 Aszinkron gép.................................................................................................... 10 2.2.5 Négyszögmezős szinkrongépes hajtás............................................................... 14 2.2.6 Kapcsolt reluktanciamotoros hajtás (SRM) ...................................................... 17 2.2.7 Állandó mágneses szinkron motorok ................................................................ 18

3. A VILLAMOS MOTOROK TERMIKUS FOLYAMATAI ................................................... 20 3.1 VILLAMOS MOTOR MELEGEDÉSÉNEK ÁLTALÁNOS VIZSGÁLATA .................................. 20 3.2 FORGÓRÉSZ MELEGEDÉSI MODELLJE ÁLLANDÓSULT ÁLLAPOTBAN ............................. 22 3.3 EGYHŐTÁROLÓS DINAMIKUS MODELL ......................................................................... 23

3.4 KÉTHŐTÁROLÓS DINAMIKUS MODELL ......................................................................... 23 3.5 VILLAMOS MOTOROK HŰTÉSÉNEK ÁLTALÁNOS GYAKORLATI MEGOLDÁSAI .............. 26

4. TEFC MOTOR MELEGEDÉSI-HŰLÉSI FOLYAMATÁNAK MODELLEZÉSE .................... 26 4.1 A TÉMATERÜLET ISMERTETÉSE ................................................................................... 26 4.1.1 Motor bemutatása.............................................................................................. 27 4.1.2 Villanymotorokon belüli hőközlési formák ...................................................... 29 4.2 ELEMZÉSEK ................................................................................................................. 33 4.2.1 A motor végeselem és hálózó programba vitele ............................................... 33 4.2.2 A motor melegedéseinek kimutatása, a melegedési eredmények értékelése .... 34 4.2.3 A vízzel való hűtés eredménye ......................................................................... 35

5. ÖSSZEFOGLALÁS ..................................................................................................... 38 IRODALOMJEGYZÉK ....................................................................................................... 41

1. Bevezetés A szakdolgozat

a villanymotorok fejlesztésében fontos szerepet

játszó, a

villanymotorban keletkező hőforrásokkal, és hőterjedéssel foglalkozik. A dolgozat egy része a járműalkalmazásokban

használatos

villamos

motorokat

mutatja

be

egészen

az

alapfogalmaktól a különböző típusokig. A motortípusok ismertetése után a villanymotorok melegedési folyamatairól mutatok be matematikai modelleket, illetve a motorokon belül zajló hőközlési formákat ismertetem. A dolgozat utolsó fejezeteiben egy TEFC motor melegedési folyamatát, és a levegővel való hűtés hatásait mutatom be végeselem és hálózó program segítségével. A későbbiekben a hűtőlevegőt vízre cserélem, és próbálok rámutatni a levegő, és a vízzel való hűtés különbségeire.

2. A villamos motorok működése, alkalmazása, termikus folyamatai 2.1 Villamos gépek 2.1.1 Villamos energia rendszer Az elektromágneses kölcsönhatás a négy alapvető kölcsönhatásnak az egyike.[2] A villamos energia az elektromosságnak egy olyan munkavégző képessége, amelyet nagyon széles körben lehet alkalmazni. A villamos energia egy olyan mesterséges energiaforrás, amely a különleges szükségleteket igénylő fogyasztóknak is jól kielégíti a hasznos energia igényüket. A fogyasztók több különböző hasznos energiaforrást igényelhetnek, például mechanikai munka, világítás, hőenergia amiknek eleget tenni a villamos energia segítségével a legkézenfekvőbb. A villamos energia felhasználása, a gépek energiaellátásától a távközlési technikáig sokrétű.[1] A villamosenergia-rendszer az a rendszer, amely a villamos energia és a fogyasztók közötti állandó zavartalan kapcsolatot biztosítja. A fő elemei, a generátorok, megszakítók, transzformátorok, áramváltók, feszültségváltók, védelmek, automatikák és a szabadvezetékek. Egy egyszerűbb rendszerben akár egyetlen főelem kiesése az egész rendszer tönkremenetelét okozhatja. A mai korszerű rendszereknél a beépített hálózati elemek számának a növekedésével az üzembiztonságot már csak matematikai eszközökkel, statisztikai adatok felhasználásával,

és

a

valószínűség-

számítás

módszereivel

lehet

modellezni. A

villamosenergia-ellátás fő feladata a fogyasztók biztonságos, és gazdaságos üzemzavar nélküli ellátása. A való életben a leggyakrabban a váltakozó áramú villamosenergia-hálózattal lehet találkozni, de előfordul, hogy egyenáramú táplálásra van szükség. [1] 2.1.2 Villamos gép A villamos gép egy olyan villamos szerkezet, amely az elektromágneses indukció 1

elvén működik. A Lorentz-erőnek köszönhetően az elektromosan vezető rendszer, és a mágneses tér között a villamos energia át tud alakulni mechanikai energiává, vagy ellenkező esetben mechanikai energia alakul át villamos energiává. Ezen a hatáson alapul a villamos gépek működése, és ezt lehet kihasználni műszaki alkalmazások számos területén. A villamos géppel akár a villamos energiaáram más tulajdonságait is változtatni lehet, például szinkron kompenzátor, vagy fázistoló. Táplálás szerint váltakozó, és egyenáramú villamos gépek léteznek.[1] A műszaki gépek alkalmazása során a leggyakrabban használt villamos gép, a villamos forgógép. Ez a műszaki alkalmazás villamos energiává alakítja át a mechanikai energiát, vagy fordított esetben a villamos energiaáramot mechanikai energiává. Ezek alapján lehet generátor, motor, vagy forgó áramátalakító. Az egyes szerkezeti elemek, mint például a csapágyak, tengely, vagy ház, alapjaiban véve határozzák meg a villamos forgógépek egyedi konstrukciós kialakításait, és az egyéb gépészeti elemekhez történő csatlakoztatást. Az építési módok között a legelterjedtebbek a függőleges vagy vízszintes tengelyű peremes gép, illetve a vízszintes tengelyű talpas gép. Két csapágybakos alaplemezes kivitelben szokták megoldani a nagy teljesítményű villamos forgógépek kialakítását, úgy, hogy a csapágyak az állórésztől függetlenül vannak az alaplemezre erősített bakon.[1] 2.1.3 Villamos motorok A villamos gépeknek a villamos motor az a fajtája, amely a mechanikai energiává alakítja át a hálózatból felvett villamos energiát, ezért legfontosabb mechanikai jellemzői a motor tengelyén mérhető fordulatszám és nyomaték. A villamos motorok felépítése kivétel nélkül állórészből és forgórészből áll, és vagy a forgórész, vagy az állórész tekercseibe vezetett áram hatására kezd el a forgórész forogni. A villamos gépeket a legáltalánosabban egyen és váltakozó áramú villamos motorok szerint csoportosíthatjuk a tápfeszültség alapján.[1] Az egyenáramú motorok működési elve: a forgórészbe vezetett egyenáramnak köszönhetően a forgórész elektromágnessé változik, és így a Lorentz-erő hatására az állórész állandó mágnesének pólusai forgatónyomatékot gyakorolnak a forgórészre, aminek hatására a motor tengelye elfordul. Abban az esetben, ha a mező forgatónyomatéka ellenkezővé válik, a kommutátor megfordítja az áram irányát a forgórész tekercselésében, ezért a forgás nem fékeződik le, és a mező forgatónyomatéka az előzővel azonos irányban fejt ki hatást a forgórészre. Ennek köszönhetően a forgórész forgása folyamatossá válik. Minél több tekercset alkalmazunk a forgórészen, annál egyenletesebbé válik a motor forgása. Az univerzális motorok azok a fajta motorok, amelyek mind a kettő fajta táplálással működtethetők. Ez úgy 2

érhető el, hogy a motor mágneses mezejét elektromágnes gerjeszti. Ilyenkor ugyanis az állórészben és a forgórészben egyidejűleg változik az áram iránya, és ilyenkor kölcsönhatásuk azonos, mivel a relatív irányuk is azonos az egyenáramú üzemeltetéskor fennállóval. [2] Az egyenáramú motoroknál a klasszikus fizikában jellemzően három féle motortípust különböztethetünk meg: 1. A főáramkörű, vagy más néven soros motoroknak a forgórészén, és a gerjesztő tekercsén is azonos áram folyik, ezért a fogórészen megjelenő nyomaték négyzetesen arányos az áramerősséggel. Az elektromos vontatásban széles körben alkalmazzák magas indítónyomatéka miatt. 2. A mellékáramkörű, vagy söntmotor esetén a motor elektromágnesét sokkal kisebb áramerősség gerjeszti, mint a főáramkör áramerőssége, annak csupán 5-8%-a. Ezeknek a típusú motoroknak még változó terhelés esetén is közel állandó a fordulatszámuk, ezért a szerszámgépekben találhatóak meg leginkább. 3. A kettősgerjesztésű motor mind a mellék- mind a főáramkörű egyenáramú motor pozitív tulajdonságait tartalmazza. Nagy nyomatékkal való indulásra, és állandó fordulatszámra képes, a nagy nyomaték megtartása mellett. Az egyenáramú motorok közül ezeket a fajta motorokat szokták a leginkább járműhajtásként alkalmazni, például fogaskerekű vasút, trolibusz hajtómotorjaként. Indításkor nagy áramfelvételt

igényel,

amit

az

úgynevezett

indító-

ellenállás

fokozatos

lekapcsolásával tudnak kompenzálni.[2] A váltakozó áramú motorok legáltalánosabb csoportosítása szerint két csoportot különíthetünk el. A szinkronmotorokat, és az aszinkronmotorokat. 1. Szinkronmotorok: Ebben az esetben a villanymotor állórészébe kapcsolunk váltakozó feszültséget, amivel az előzetesen megpörgetett forgórész szinkronban forog, ha elérte a szükséges úgynevezett szinkronfordulatszámot. A forgórész szinkronban forog a váltakozófeszültséget szolgáltató generátorral. A megpörgetett forgórész az állandó mágnes, amire mindig egyirányú forgatónyomaték hat, az állórész által gerjesztett mágneses mezőnek köszönhetően, mivel pont annyi idő alatt változik meg az iránya a gerjesztett mágneses mezőnek, amennyi idő alatt a forgórész egy fél fordulatot tesz meg. A forgórész fordulatszámának csökkentését az állórész vasmagjára való több tekercspár felcsévélésével lehet elérni. [2] 2. Aszinkronmotor: Ezeket a fajta motorokat indukciós motoroknak is szokták nevezni. A motor konstrukciója szerint úgy van kialakítva, hogy három vasmagos 3

tekercs helyezkedik el egymástól 120-120°-os szögben a motor állórészének kerületén. Ezek a vasmagos tekercsek háromfázisú áramrendszerre vannak kapcsolva egymással csillagkapcsolásban összekapcsolva. Az áramrendszerre kapcsolás után a tekercsek közé helyezett iránytű az áram irányában kezd el forogni, azzal szinkronban, és azonos periódusban a nélkül, hogy meg kellett volna pörgetni. Ez azzal magyarázható, hogy a tekercsekre kapcsolt áram miatt, a tekercsek középpontjában kialakuló mágneses tér indukcióvektora egyenletes szögsebességgel forog a középpont körül. Ha a külső mechanikai terhelést tovább növeljük, akkor a relatív szögsebesség ismét megnő, és így a mágneses forgatónyomaték is, ami a forgórészre hat. Ha nincs terhelés, a forgórész felpörög ugyan ismét, de a forgó mágneses tér szögsebességét nem érheti el, mert abban a pillanatban megszűnik a rá ható mágneses tér forgatónyomatéka, és ennek következtében a súrlódás miatt megállna. Ezért nevezik ezt a fajta motortípust aszinkronmotornak, ugyanis a forgórésznek mindig csúszásban kell lennie a mágneses

mezőhöz

képest.

Ezt

a

csúszást

nevezik

szlipnek.

Az

aszinkronmotoroknak sok területen kihasználható tulajdonságaik vannak. Nagy teljesítménnyel, indítónyomatékkal, rendelkeznek, valamint fordulatszámukat is jól tartják. Egyszerű szerkezetűek, és mivel nincs szükségük kefékre, a kefeszikrázás jelensége nem tud föllépni. [2] 2.1.4 A fosszilis energiahordozók felváltása a járműalkalmazásokban Azt a típusú hajtást, ahol villamos motor hajtja a munkagépet, villamos hajtásnak nevezik. A klasszikus értelemben vett villamos hajtásnál egy munkagépet egy darab villamos motor hajt, de a többmotoros villamos hajtásban, ugyan azon munkagépen a különböző részfeladatokat külön-külön villamos motorral oldják meg. A járműalkalmazásokban is, de eleve a korszerű technológiák megkövetelik a szabályozott villamos hajtások alkalmazását. A szabályozó berendezéseknek az a feladatuk, hogy a mechanikai szempontból fontos adatokat, úgymint forgásirány, elmozdulás, szögsebesség, nyomaték a kívánt értéken tartsák, és annak megfelelően változtassák a motor egyes bemenő paramétereit. A korszerű technológiának köszönhetően ezeket a beavatkozásokat programszerűen is lehet vezérelni, ennek köszönhetően a mai villamos hajtás mind a két irányban képes fékező és hajtó nyomatékot is kifejteni. [1] A 20.sz. első felében terjedtek el a szabályozott áramirányítós egyenáramú hajtások, a század utolsó negyedében pedig a frekvenciaváltóról táplált rövidre zárt aszinkron motoros hajtások, illetve a korszerű aktív elektronikai elemek megjelenése és erősáramú 4

alkalmazásuk a hajtástechnikában. Az utóbbi időben a rövidre zárt aszinkronmotor egyszerű felépítése és a kompakt kivitelű frekvenciaváltó a különleges kívánalmak, például rendkívül nagy indítónyomaték, kivételével háttérbe szorította az egyenáramú villamos hajtásokat. [3] A villamosságot, mint energiahordozót körülbelül akkor kezdték el használni, mint a fosszilis energiahordozókat, a kőolajkorszak kezdetén. [3] Hatalmas előrelépéseket hozott az elektromos motor a járműiparban, mégis a kőolajszármazékok nagyobb energiasűrűsége, valamint az elektromos energia nehéz tárolhatósága a villamos motorok kiszorítását jelentette a közlekedésből. A közúti közlekedés mind a mai napig a belső égésű motorokon alapul. A XXI. században az emberiség ráébredt a belsőégésű motorok okozta környezetszennyeződés súlyosságára. Ennek, és a fosszilis energiahordozók csökkenésének tudatában egyre inkább teret hódítanak a hidrogén üzemű, hibrid hajtású, villamos hajtású stb. járművek alkalmazásai a közutakon. [4] A benzin, illetve dízel üzemű járművek felváltására a hidrogén üzemű járművek elterjesztése az egyik lehetőség. A hidrogén előállítása villamos energiát igényel, amelyet atomenergia vagy napenergia segítségével lehet biztosítani. A legnagyobb gond a hidrogénnel a fedélzeten való tárolása, mivel légnemű formájában a tárolás kb. 200 bar nyomású palackokban történik, ami nagy tömeget és térfogatot jelent. Folyékony halmazállapotban való tárolása pedig rossz hatásfokot jelent a cseppfolyósítás miatt, valamint a cseppfolyós hidrogén álló helyzetben is fogyaszt, mivel párolog. [5, 6]. Újabb kutatások eredményeképpen azonban van lehetőség a hidrogén járművekben való tárolására is. A hidrogén gáz elnyeletésével olcsó, és biztonságos tárolási módot kaphatunk. [7] A hidrogén elnyeletése háromféleképpen valósulhat meg: 

anyagon belüli megkötés (abszorpció- fém hidridek)



kémiai reakció útján



felületen való megkötés útján (adszorpció) [5]

Az alábbi ábrán a hidrogén elnyeletése látható (1.ábra):

5

1.kép: a hidrogén elnyeletése [5]

A hidrogén égésének a járműalkalmazásokban több pozitív tulajdonsága van. Levegővel, bizonyos határok között tetszőleges mértékben keveredhet, és ennek köszönhetően széles a gyulladási határa, egészen szegénykeverékes üzem is előállítható vele. A hidrogén begyújtásához szükséges energia jóval kisebb, mint a benzinnél, emellett hidrogénláng nehezen kioltható, valamint magasabb kompresszió érhető el vele. Nagy égési sebességének köszönhetően jobban megközelíti az ideális körfolyamatot, mivel gyorsasága miatt gyakorlatilag állandó térfogaton történik az égés. Kémiai szerkezetének köszönhetően levegővel gyorsan elegyedik, ezért gyorsan ki tud alakulni a homogén keverékű töltet. [5] Azokat a járműveket ahol a hajtást egy villanymotor, és általában egy belső égésű motor szolgáltatja, hibrid járműveknek nevezik. Ezeknél a járműveknél az elektromos motor energiaellátását dízel, vagy Otto-motor szolgáltatja generátoron keresztül. A villamos motor alacsony fordulatszámon való magas nyomatékának köszönhetően, leginkább kisebb sebességeknél, rövidebb távolságokra, például városban hajt a villamos motor, hosszabb távon, nagyobb sebességeknél, például országúton, a belső égésű motor dolgozik. Nagyobb igénybevételnél, például erőteljesebb gyorsításnál, a belsőégésű motor besegít a villamos motornak, és a két motor együtt tud dolgozni. [8] 2.2 Járműhajtásra alkalmas villamos motorok 2.2.1 A villamos járművek energiaellátása A villamos motorok a villamos energiát mechanikai energiává alakítják át. Ehhez a villamos energiát valamilyen módon a motorhoz kell vezetni. Az elektromos energia kis energiasűrűsége miatt a villamos energia fedélzeten való nagy mennyiségű tárolása nehezen megoldható, ezért további energiaellátási módok jöttek létre. [9] A villamos energiával való ellátás csoportjait a következő ábra szemlélteti (2.ábra):

6

2.ábra: villamos járművek energiaellátása [9]

A külső energiaforrás esetében a járművön nincsen külön tárolóegység, hanem villamos hálózaton keresztül, ami az esetek nagy többségében az országos villamos energia hálózat, jut el az energia a motorhoz. A hálózatról érkező villamos energia közvetlenül is lehet energiaforrás, de a járművek többségében a vontatási kritériumok megfelelése miatt, általában közbülső átalakítás szükséges. A munkavezetékes táplálásnál a jármű áramszedő segítségével képes megvalósítani az energiaátadást.

Ez a fajta energiaellátás jellemzően a vasúti

járműveknél fordul elő, illetve közutakon például a trolinál. Az induktív energiaátadás a lineáris motoroknál, nagysebességű járműveknél fordul elő, ahol az energiaátadás érintkezésmentesen, indukció útján történik. A külső energiaforrás egyik, ma még nem teljesen kihasznált esete, a napelemes táplálás. [9] Amennyiben nincsen külső energiaforrás, az energiát valamilyen módon tárolni, és szállítani kell a jármű fedélzetén, így azokat időszakosan tölteni kell. Ezeknek a fajta energiatárolóknak a leggyakoribb esete az akkumulátor. Manapság a tárolt villamos energia a közúti járművekben főként a segédüzemek energiaellátására szolgál, de felhasználható járműhajtásként is. Önálló, és másodlagos energiaforrásként lendkerekes átalakítót, és ultrakapacitást is használnak. [9] A jármű által szállított kémiai energiahordozóval működő villamos hajtású járműveknél, a járművön belül, a tüzelőanyag kémiai energiáját alakítják át villamos energiává, például a dízel-villamos mozdonynál a villamos energiaellátást dízel aggregát biztosítja. Ide sorolhatóak a hibrid-villamos járművek, amelyeket fentebb már említettem. Ezeknél a járműveknél a tüzelőanyag utántöltéséről kell gondoskodni, hiszen ez szolgáltatja a villamos energia ellátást is. [9] 2.2.2 A vontatás kritériumai Azokban a járműalkalmazásokban ahol mechanikai áttétel változtatás nem valósul meg, a motornak kell olyan jelleggörbével rendelkeznie, amely a jármű mozgatásához szükséges. Ezt a mechanikai jelleggörbét egyes villamosmotorok jól megközelítik, ezért 7

járművekben való alkalmazásuk is lehetséges. A vontatás kritériumait a következő ábra szemlélteti. (3. ábra):

3.ábra:A hajtás illesztése a.) a vontatási igény, b.) a vontató motor mechanikai jelleggörbéje [9]

Ennek megfelelően járműalkalmazásokban a következő villamos hajtások alkalmazhatók: 1. egyenáramú kommutátoros motoros hajtás 2. aszinkron gép 3. négyszögmezős szinkrongépes hajtás 4. kapcsolt reluktanciamotoros (SRM) hajtás (ritka alkalmazás). 5. áramvektor szabályozású, állandómágneses, szinuszmezős szinkrongépes hajtás, inverteres táplálással, mezőgyengítéses tartománnyal kibővítve (PMS hajtás); [9, 10] 2.2.3 Egyenáramú hajtások Az egyenáramú motorokat a járműalkalmazásokban széles körben alkalmazták a közelmúltig.

Ezeknél

a

motoroknál

soros

gerjesztést

alkalmaztak,

ahol

a

gép

armatúraáramával arányos gerjesztőtekercs hozza létre a gép mágneses fluxusát. A gerjesztőtekercs árama és az armatúraáram közötti arányt, a ’c’ arányossági tényező határozza meg, ami a mezőgyengítés mértéke, ezért a következő tartományba esik: 𝑐𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑐 ≤ 1[9] A cmin értékét az ezekre az egyenáramú motorokra jellemző kefeszikrázásra való hajlam határozza meg, tehát gépfüggő. A fordulatszám kibővítésére való mezőgyengítést gyakran úgy oldják meg, hogy a gerjesztőtekerccsel párhuzamosan kapcsolnak sönt ellenállást, így ha a gerjesztőtekercs ellenállása Rg, a sönt ellenállása Rs, akkor a mezőgyengítés mértéke: 𝐼∗𝑅𝑠

𝐼𝑔 = (𝑅

𝑔 +𝑅𝑠 )

= 𝑐 ∗ 𝐼[9]

Ezzel a megoldással a mezőgyengítés csak néhány fokozatban kapcsolható. [9, 10] 8

Az egyenáramú kommutátoros motoroknál alkalmaznak kettős gerjesztésű gépeket is, ahol az egyik tekercs árama megegyezik az armatúraárammal, míg a másik tekercs az armatúraáramtól független. Ezekben a gépekben az 𝐼𝑔1 ∗ 𝑁𝑠 + 𝐼𝑔2 ∗ 𝑁𝑘 [9] eredő gerjesztés hozza létre a fluxust, ahol Ig1 az egyik tekercs árama, Ns a soros gerjesztőtekercs menetszáma, Ig2 a másik tekercs árama, Nk a külső gerjesztés menetszáma. Ezt a fajta gerjesztésű motort is alkalmazzák járművekben, de csak kisebb teljesítményűeknél. A soros gerjesztésű, és a vegyes gerjesztésű egyenáramú motort a következő ábra mutatja.(4.ábra):

4. ábra: egyenáramú kommutátoros motor: a.) soros gerjesztéssel, b.) vegyes gerjesztéssel [9]

A soros gerjesztésű kommutátoros gép ф mágneses fluxusa egy nemlineáris, telítődő jellegű függvénye az 𝐼𝑔 = 𝑐 ∗ 𝐼; [8] gerjesztőáramnak. Az alábbi ábrán (5.ábra) a relatív egységekkel számolt jelleggörbék láthatók. Az a.) ábra az armatúraáramtól függő nyomatékot, és a fluxust mutatja mezőgyengítés nélküli, és két különböző mezőgyengítéses üzemre, ahol ’c’ mezőgyengítési tényező, c=0,5 illetve c=0,35. A b.) ábra az M- 𝜔 jelleggörbét mutatja. Ezen az ábrán figyelhető meg jobban a mezőgyengítés fontossága, ugyanis mezőgyengítés nélküli üzemben a nyomaték ugyan maximálisan kihasználható, sőt a motor kapocsfeszültségének változtatásával a szögsebesség is változtatható U’=1 felső határgörbén belül, de a szögsebesség így sem elegendő a járműalkalmazásokhoz. Mezőgyengítéses üzemben azonban a szögsebességet nagyobb értékre lehet tolni a nyomaték viszonylagos megtartása mellett a megfelelő mezőgyengítési tényező megválasztásával. Ezt a hatást lehet jól kihasználni a járműalkalmazásokban, vontatásnál. [9, 10]

9

5.ábra: soros gerjesztésű egyenáramú motor jelleggörbéi: a.)armatúraáramtól függő fluxus és nyomaték, b.)mechanikai jelleggörbe [9]

Mint az látható, a mechanikai jelleggörbék az ismertetett vontatási körülményeket jól megközelítik. Ezért a villamos járművek hajtására legtöbbször a soros gerjesztésű kommutátoros motorokat használták régebben. Fontos tulajdonsága ezeknek a motoroknak, hogy egyfázisú váltakozóáramú, és egyenfeszültségről is üzemeltethetőek. A váltakozó áramú táplálásnál a motorok sokkal inkább hajlamosak voltak kefeszikrázásra, azonban akkor még az egyenfeszültség veszteségmentes változtatására még nem léteztek megoldások. Ezért történt, hogy a vasúti táphálózatot váltakozó feszültséggel telepítették. Az egyfázisú kommutátoros motorokat a járműalkalmazásokban ma már nem nagyon használják. [9, 10] 2.2.4 Aszinkron gép Az aszinkron motorok kedvező tulajdonságaik miatt az ipari berendezések villamos hajtásaiban régóta elterjedtek. Járművekben való alkalmazásuk is régóta létezik, csúszógyűrűs aszinkron motorok formájában, de az ilyen konstrukciók nem képesek jó hatásfokkal üzemelni, ezért ilyen formában nem nagyon használták. Az újabb aszinkrongépes hajtások nagy előnye, az inverterek terjedésének köszönhetően, hogy csúszógyűrűk nélkül, azaz rövidre zárt forgóalkatrészek nélkül képesek működni. Az egyenáramú motorokkal ellentétben háromfázisú hálózatról is üzemeltethető, valamint felépítésük és gyártásuk is olcsó. Az inverter technikának, és a mezőorientált szabályozásnak köszönhetően sikerült a hajtástechnikai tulajdonságait úgy feljavítani, hogy ma már a vasúti vontatásban és a városi közlekedésben is megtalálhatóak. [9] Az aszinkron gép alap felépítése szerint az állórészen háromfázisú energiaforrás táplálja, a három fázisú tekercsrendszert. A forgórészen a háromfázisú tekercsrendszer csillag kapcsolású, és a rövidzárás a csúszógyűrűkön keresztül jön létre, amelyekre kapcsolódnak a tekercsek szabadvégei. Ennek a tekercsrendszernek a kialakítása lehet kalickás, vagy fázisonként tekercselt.[11] Az alábbi ábrán a csúszúgyűrűs felépítés. (6.ábra) 10

6.ábra: aszinkron motor csúszógyűrűs felépítése [12]

A másik féle felépítése az aszinkron motoroknak a kalickás szerkezetű aszinkronmotor. A kalickás felépítésnél a forgórész hornyaiba vezető anyagból készült rudazat kerül, és a homlokoldalon a rudazatot gyűrűk zárják rövidre. [12] Ezért a kalickás forgórésznél, a szerkezetéből adódóan, a pólusszám automatikusan megegyezik az állórész pólusszámával, de a csúszógyűrűs kialakításnál ezt biztosítani kell. [11] A csúszógyűrűs kivitel bonyolultabb felépítésű, és drágább, viszont a magas indítónyomatékot és kíméletes indítást ezzel lehet elérni. A kalickás kialakítás egyszerűbb szerkezet, üzembiztosabb, és olcsóbb, azonban a fordulatszám változtatásához bonyolultabb megoldások szükségesek. [12] A háromfázisú hálózat egymáshoz képest 120°-os fáziseltérésű feszültsége az állórészen lévő három tekercsre van kapcsolva, ezért forgó mágneses tér alakul ki. A forgó mágneses mező feszültséget indukál a forgórész tekercseiben, illetve rudazataiban, aminek hatására azokban áram indul meg. A keletkezett áram mágneses tere a már jelen lévő, forgó mágneses térrel kölcsönhatásba lépve forgatónyomatékot hoz létre a forgó részen, aminek hatására az elkezd forogni a forgó mágneses mező irányába. A rotor sebessége elmarad a mágneses mezőjétől, a szinkron fordulatszámtól, ezért nevezik ezt a kialakítást aszinkron motornak. A forgó rész lemaradása a szinkron fordulatszámhoz képest a szlip, és 𝑠=

𝑛0 −𝑛 𝑛0

𝑛

= 1 − 𝑛 [12] 0

alakban írható fel, ahol 𝑛0 a szinkron fordulatszám, és 𝑛 az aszinkron fordulatszám. [12] Az aszinkron motorok teljesítményét és veszteségeit a következő ábra tartalmazza. (7.ábra):

11

7.ábra: az aszinkron gép nyomatéka [12]

Az aszinkron gép nyomatéka: Pl = M ∗ 0;[12] ahol ’Pl’ a légrés teljesítmény, ’M’ a nyomaték, ’0’ a szinkron szögsebesség Pt2 = Pl − Pmech = M ∗ 0 − M ∗ (1 − s) ∗ 0 = M ∗ s ∗ 0 = 3 ∗ I22 ∗ R 2 [12] ahol ’Pt2’ a hasznos teljesítmény, ’Pmech’ a mechanikai teljesítmény, ’s’ a szlip, ’I2’ a forgórész tekercs egy fázisának áramerőssége, ’R2’ a forgórész tekercs egy fázisának ellenállása. És mivel: I2 =

U2 √R22 +X2L2

;[12]

U2 = s ∗ U20 ;[12] XL2 = ω2 ∗ L2 = s ∗ ω0 ∗ L2 = s ∗ XL20 ; ω2 = s ∗ ω0 ;[12] ahol ’U2’ a forgórész kapcsain mérhető feszültség, ’XL2’ a forgórész egy fázisának reaktanciája, ’𝑈20 ’ a forgórész kapcsain mérhető feszültség álló helyzetben, ’𝜔2 ’ a forgórészben indukálódó feszültség szögsebessége, és a ’0’ index az álló helyzetet jelenti. Ezért: 3∗s2 ∗U2 R

20 2 M ∗ s ∗ 0 = R2 +s2∗X 2 ; [12] 2

L20

tehát a nyomaték a feszültség négyzetével arányos. 3∗s∗U2 ∗R2

M = (R2 +s2 ∗X202 2

L20 )∗0

[12]

Az aszinkron motorok nyomaték-fordulatszám jelleggörbéjét a következő ábra mutatja (8.ábra): 12

8.ábra: aszinkron motorok nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje [13]

Az aszinkron motorok forgórészei, a tekercsek, vagy rudazatok álló helyzetben induktív jellegűek, ezért a nyomaték és a forgórész fázistényezője is kicsi. A villanymotor abban az esetben kezd el forogni, ha az indítónyomaték ’Mi’ nagyobb a terhelőnyomatéknál ’Mt’-nél, ezért az indítónyomaték általában névleges nyomaték körüli érték. A villanymotor fordulatszámának növelésekor csökken a szlip értéke, és ezért a forgórész frekvenciája is csökken. A csökkenő frekvencia miatt a forgórész induktív ellenállása is kisebb lesz, ami miatt a fázistényező növekszik. A növekvő fázistényező nagyobb nyomatékot eredményez, ezért van az, hogy a villanymotor fordulatszámának növelésekor a motor nyomatéka is nő egy bizonyos határértékig. Ez a határérték a billenőnyomaték,

’Mb’. A billenőnyomatékhoz

tartozó fordulatszám a szinkronfordulatszámnak körülbelül 80-85%-a. A fordulatszám további növelésekor, a billenőnyomaték elérése után, mivel a forgórészben indukált feszültség egyre kisebb lesz, a szlip csökkenése miatt, a forgórészben folyó áram is egyre kisebb lesz, de a fázistényező már csak keveset tud növekedni. Ezért a nyomaték nagymértékben zuhan. Amíg a villanymotor nyomatéka egyenlő nem lesz a terhelés nyomatékával, addig a motor gyorsul. Az aszinkron gép sebessége üresjárásban a szinkron fordulatszám értékét nagyon jól megközelíti, ami a nyomatéki görbe és a vízszintes tengely metszéspontja. A biztonságos üzemet az üresjárási és a billenőnyomatéki pont között lehet elérni, mivel a billenési nyomatékot meghaladó terhelésnél a motor áramfelvétele a névleges értéknél sokkal nagyobb lesz, és e miatt a nagy áram miatt a motor könnyen meghibásodik. [13] Az aszinkronmotoroknak az indító áramerőssége a névleges áramerősségnek körülbelül 3-9-szerese, és a nagy áramerősség a gépben nagy feszültségesést okozhat. Ezt a feszültségesést csökkenteni kell, ezért az aszinkronmotorok indítása közbeitatásokkal történik. [12] Csúszógyűrűs aszinkronmotoroknál csillagalakba kapcsolt ellenállásokat építenek be a forgórészbe, amivel az indítási áramlökés lecsökkenése mellett indítónyomaték növelését is elérik. Ezeket az indítóellenállásokat fokozatosan rövidre zárják, és ki tud alakulni a 13

biztonságos üzem. [12] A kalickás aszinkronmotorok indítási problémáinak kiküszöbölésére jellemzően három megoldás létezik: 

A hálózat és a motor közé fojtótekercsek vagy ellenállások beiktatása: ilyenkor az indítóáramot csökkentik a kapocsfeszültség csökkentésével. Ezt kis teljesítményű gépek, vagy nagy teljesítményű hálózatok esetén használják. Ilyenkor az indítási nyomaték is csökken.



Takarékkapcsolású transzformátor alkalmazása: főleg nagyfeszültségű motoroknál alkalmazzák. Ebben az esetben az indítónyomaték, és a hálózati áramlökés is csökken.



Y-Δ indítás: a motor indításakor csillagba kapcsolják egymáshoz az állórész tekercseit, amivel ugyan kisebb lesz az indítónyomaték, de sokkal kisebb az áramfelvétele is, mint az üzemi fordulatszámon deltába kapcsolténak. Kisfeszültségű motoroknál alkalmazzák ezt a konstrukciót. [12] 2.2.5 Négyszögmezős szinkrongépes hajtás A négyszögmezős

szinkrongépes

hajtásokat

leggyakrabban

kerékagymotoros

konstrukcióban alkalmazzák kisteljesítményű járműveknél. Ezekre a hajtásokra ismertebb a „kifordított” egyenáramú, Brushless DC motor, amit manapság csak BLDC motoroknak szoktak hívni. Habár egyenáramú motorok, mégis a szerkezetük inkább a szinkron váltakozó áramú motorokéhoz hasonló, tehát a forgórészen található az állandómágneses gerjesztés, és az állórészen pedig a tekercselés. [9] Az egyenáramú motorokkal ellentétben a kommutáció nem mechanikus úton megy végbe, hanem a keféket elektronikus kommutáció végzi, ezért elektromosan vezérelt motoroknak is szokás a BLDC motorokat nevezni. A kefenélküliségnek köszönhetően sokkal kisebb a mechanikai kopás, sőt a kefeszikrázás jelensége sem léphet fel, így tűzveszélyes környezetben is kiválthatja a hagyományos egyenáramú motorokat. A hagyományos egyenáramú motoroknál egyszerűbb felépítésűek, ezért kevésbé karbantartást igénylők, és a működési paramétereik is jobbak. [14] Leggyakoribb esetben az állórész háromfázisú tekercselésű, de előfordulhat öt fázisú motor is. [9] Az alábbi ábrán a BLDC motor felépítése látható (9.ábra):

14

9.ábra: a BLDC motor felépítése [14]

Általában több egymással összekapcsolt tekercs kapcsolódik egy fázis tekercséhez. Így ha fázisok például két tekercset tartalmaznak, akkor fázisok tekercsei 180°-al elforgatva követik egymást, és egy háromfázisú motornál a fázisok pedig 60°-al követik egymást. Mivel az állandómágnes póluspárja is lehet egynél több, ez meghatározza az elektromágneses mező fordulatszáma és a mechanikai fordulatszám közötti váltószámot: 𝑟𝑒𝑙 = 𝑁𝑝 ∗ 𝑟𝑚𝑒𝑐ℎ [14] ahol ’rel’ az elektromos ’rmech’ a mechanikai fordulatszám, ’Np’ pedig a póluspárok száma. A mágnesek, és tekercsek számának növelésével a motor járása egyre egyenletesebbé válik, és ezzel a motor egyéb mechanikai tulajdonságai is javulnak. [14] Az egyenáramú motorok nagy indítónyomatékkal rendelkeznek, és a nyomatékfordulatszám jelleggörbéjük is közel lineáris. Mivel a szögsebességük egy bizonyos mértékig csak a rájuk kapcsolt feszültségtől függ, ezért a feszültség amplitúdójának változtatásával a BLDC motorok fordulatszám szabályozása könnyen elérhető. Járműalkalmazásokban azonban a motorra adott frekvenciájú négyszögjelet kapcsolnak, és annak a kitöltési tényezőjét változtatják. Ennek segítségével a motor be-, illetve kikapcsolt állapotát lehet olyan kicsire megválasztani, hogy azt a motor nem tudja lekövetni, és így a motor kapcsain egy átlagos feszültségszint alakul ki a kitöltési tényezőnek megfelelően.[14] A motor működésének az az alapja, hogy az állórészen levő tekercsek által gerjesztett mágneses tér irányának megfelelően próbál beállni a forgórészen lévő mágnesek által létrehozott mágneses tér. Amennyiben a két mágneses tér között eltérés van, akkor forgatónyomaték lép fel az eltérés nagyságának függvényében, és ez a forgatónyomaték az eltérést csökkenteni igyekszik. Ebből következően, csak akkor forog a forgórész, ha minden időpillanatban van valamekkora szögeltérés az állandómágneses tér és az elektromágneses tér között. Ebből következik, hogy az állórészben lévő tekercselésben az indukálódott mágneses tér irányát folyamatosan változtatni kell, ami csak és kizárólag az áram irányának 15

változtatásával érhető el. A tengelyre ható forgatónyomaték értéke az állórész és a forgórész mágneses terének irányai közötti szög szinuszával arányos. Ebből következik, hogy a forgatónyomaték akkor maximális, ha a mágneses terek közötti szögeltérés 90°. A vezérlést a BLDC motorok esetében is a forgórész és az állórész egymáshoz viszonyított helyzete alapján végzik, és mivel a forgatónyomaték akkor a legnagyobb, amikor a mágneses terek szögeltérése 90°, ezért a vezérlésnek a célja, hogy a szöget e körül az érték körül tartsa. A forgórész lemaradását több féle módon meg lehet határozni. A lemaradás ismeretében úgy valósítják meg a kommutációt, hogy az adott fázis tekercseit adott potenciálra kapcsolják. Ha minden időpillanatban csak két tekercs van gerjesztve például egy háromfázisú motorban, akkor hat eltérő mágneses tér jön létre.[14] A hat eltérő irányt az alábbi ábra mutatja (10.ábra):

10.ábra: BLDC motor kommutációs lépései [14]

Minden egyes mágneses irányhoz három kapcsolás tartozik úgy, hogy az egyik fázis a földre, a második a táphálózatra, a harmadik pedig sehova nem kapcsolva lebeg. A vezérlés feladata mindig a forgásirány szerinti következő kapcsolási konfiguráció beállítása, amit külső hardver 16

elemek segítségével old meg. Mivel nincsen se kommutátor se kefék, ezért a kommutáció elvégzése is a vezérlő feladata. Üzemszerű vezérlés esetén a BLDC motorok úgy viselkednek mint a hagyományos egyenáramú motorok. [14] Az alábbi ábrán a BLDC motor vezérlési diagramja látható (11.ábra):

11.ábra: BLDC motor vezérlési diagramja [14]

2.2.6 Kapcsolt reluktanciamotoros hajtás (SRM) A kapcsolt reluktanciamotoroknál is az állórész tekercselt, és a forgórész a mágnesezett csak úgy, mint a BLDC motoroknál. [15] A motor úgy van kialakítva, hogy a rotor és a sztator is fogazott. Így amikor az állórész tekercseit gerjesztőáram éri, a forgórész mágnesének erővonalai energiaminimumra törekednek, amit csak akkor érnek el, ha megszűnik a mágneses ellenállás. Ahhoz, hogy az ellenállás megszűnjön, a forgórész fogai kénytelenek elmozdulni a legközelebbi állórész foga felé, ezért a forgórész tengelyen nyomaték ébred. Reluktancia nyomatéknak nevezik azt a nyomatékot, ami fellép a forgórész tengelyén az energiaminimumra való törekvés alatt. Ebből ered a gép elnevezése. [16] A forgórész és az állórész fogszáma különböző, és általában a forgórész fogszám kisebb mint az állórész fogszám. Az ábrán egy 6/4-es SRM hajtás látható (12.ábra):

17

12.ábra: 6/4-es SRM hajtás [15]

Az SRM hajtás egyszerű, és olcsó. Nagy nyomatékot lehet vele elérni álló helyzetből is, és nagy fordulatszámra is alkalmas. Felhasználástól függően sokféle konstrukció alakítható ki vele a fázisszám, az állórész pólusszám, a rotor fogszám, és az elektronika segítségével. Bár a fordulatszám-nyomaték jelleggörbéje alkalmassá teszi vontatási feladatok elvégzésére, mégis ritkán szokták alkalmazni ezt a megoldást, ugyanis nyomatéklüktetéstől mentes üzem csak speciális konstrukcióval és korlátozott fordulatszám tartományban biztosítható, és ennek köszönhetően zajos is lehet, továbbá a nemlineáris nyomaték-áram összefüggés miatt bonyolult irányítás szükséges a helyes működéséhez. [15] 2.2.7 Állandó mágneses szinkron motorok A mai technológiai tudásanyag alapján, a járműalkalmazásokban a belsőégésű motorok szerepét leginkább a villamos hajtások képesek átvállalni. [3] Bár a szinkronmotorokat már régóta alkalmazzák, mégis csak a modern kori vezérléstechnika ugrásszerű fejlődésének köszönhetően lehetett őket járműhajtásként alkalmazni, olyannyira, hogy ma már a tendenciák a felé mutatnak, hogy az állandó mágneses szinkronmotorok képesek a legjobban helyettesíteni a belső égésű motorokat. [9] Ezeknek a motoroknak a vezérlése nagy számítástechnikai igényt von maga után, amit manapság próbálnak minél jobban kielégíteni az egyre erősebb szoftverekkel és hardverekkel, de a fő kutatások inkább a tömegének és a térfogatának csökkentésére fókuszálódnak, a hatásfok növelése mellett. [3] Az alábbi ábrán egy szinkron motor látható (13.ábra):

18

13.ábra: szinkrongép metszésvázlata [17]

A szinkron gépek állórészének felépítése megegyezik az aszinkron motorok álló részének felépítésével. Itt is adott szögsebességű forgó elektromágneses tér keletkezik az állórészbe vezetett áram hatására, és ezzel forog együtt a rotor. A szinkron motorok szinkron üzembe való juttatásához beavatkozás szükséges. A szinkronizáláskor a forgórész állandó mágnesének forgatásával forgó mágneses tér alakul ki, ami feszültséget indukál az állórész tekercsekben. Ennek a feszültségnek, a fázishelyzetének, amplitúdójának, és frekvenciájának az értéke kell ugyan olyan értékűnek lennie mint a váltakozó áramú hálózaté, amit a forgatás egyes értékeinek változtatásával lehet elérni. Az azonos frekvencia beállítása történhet indító segédgéppel, de leggyakrabban, ugyanúgy, mint az aszinkron gépeknél a pólussarukba beépített kalickák segítségével a motor közel szinkron fordulatszámra gyorsul, és ezután a tekercselés egyenáramú gerjesztésével vált át szinkron üzembe. A szinkronmotor indítása a tápláló frekvencia folyamatos növelésével is elérhető, amihez egy olyan frekvenciaváltó szükséges, amivel a kívánt frekvenciáig folyamatosan változtatható a frekvencia, így ezzel a motor

fordulatszámát

és

mechanikai

jelleggörbéjét

is

lehet

változtatni.

Ideális

szinkronozáskor a motor hálózati feszültségre kapcsolása után az állórész tekercseiben még nem folyik áram, mivel a gerjesztett feszültség és a hálózati feszültség összetevői közel azonosak, így a köztük lévő terhelési szög is β=0. Ez az elméleti üresjárat. Amennyiben ez az egyensúly megszűnik, az állórész tekercseiben áram folyik, ami egy újabb mágneses mezőt hoz létre, és egy forgó mezőt alkot. Ez az úgynevezett armatúra mező összegződik a gerjesztett pólusmezővel, és a kettőből alakul ki az eredő mező, ami biztosítja az energiaátadást a forgórész és az állórész között. Az armatúra mező kisebb része nem vesz részt az energiaátadásban, hanem csak az állórész tekercsei körül záródik a levegőben. Ezt szórt mágneses mezőnek is nevezik. [18] Az állandó mágnesű szinkron motorokban a sztator állandó mágnessel is el van látva, így a reluktancianyomaték mellett, az elektromágneses energia miatt nagyobb teljesítményt lehet elérni ezekkel a fajta motorokkal. Ennek köszönhetően ma már az ilyen gépek 19

teljesítménye 50W-10kW-ig terjedhet. Ezeknek a gépeknek az elindításához is különböző közbeavatkozások szükségesek. [18] Az alábbi ábrán egy állandó mágneses szinkron motor látható (14.ábra):

14.ábra: állandó mágnesű szinkronmotor [18]

3. A villamos motorok termikus folyamatai 3.1

Villamos motor melegedésének általános vizsgálata

A villamos gépek hőtani ismerete azért szükséges, mert a villamos gépek szigetelőanyagának élettartama nagyban függ a tartós vagy átmeneti hőmérséklettől. A szigetelőanyagok nem tervezett tönkremenetele a villamos gép üzemképtelenségét, tönkremenetelét okozza. A hőállóság alapján szabvány foglalja magába villamos szigetelő anyagokat. A szabvány a szigetelőanyagokat osztályokba rangsorolja 𝜏ℎ𝑎𝑡á𝑟 hőmérséklet alapján. [19] Az osztályokat a következő ábra tartalmazza (15.ábra):

15.ábra: Villamos motorok szigetelőanyagának rangsorolása[20]

A határ hőmérséklet tényleges, abszolút hőmérsékletet jelent, így a környezet hőmérséklete mellett relatív, környezethez képesti túlmelegedést is magában foglalja. A villamos gépekben, csak úgy mint a gépek összes többi fajtájában, a veszteségek hővé alakulnak. A legnagyobb hőveszteség források a súrlódás miatt létrejövő veszteségek, valamint a vas-, és a tekercsek veszteségei. A gyakorlatban, a tervezés, és üzemeltetés szempontjából az állandósult hőmérsékletnek van leginkább jelentősége. Ez a hőmérséklet a tükrözi a legjobban az elszállított hőmennyiséget, veszteséget. Az átmeneti folyamat például szakaszos üzemben, vagy túlterhelésnél játszik szerepet. [19] A villamos motoroknak a 20

szigetelőanyag szempontjából fontos melegedési üzemeit a következő ábra mutatja (16.ábra):

16.ábra: melegedés állandósult (kék), és rövid ideig tartó (piros) üzemben [19]

A legegyszerűbb modell szerint a villamos gép vesztesége és hozzá kapcsolódó hőmérséklet között lineáris kapcsolat áll fenn. Egy vizsgált alkatrészben a környezethez képesti túlmelegedés és az állandósult hőveszteség közötti kapcsolatot egy hőátviteli tényezővel lehet leírni: 𝜗 = 𝑃ℎ ∗ 𝑅ℎ ; [19] ahol ’𝜗’ a relatív túlmelegedés, ’Ph’ az állandósult hőveszteség, ’Rh’ a hőátviteli tényező. Ezt termikus Ohm-törvénynek, 𝑃ℎ -t hőáramnak szokták nevezni. Egy m tömegű ch fajhőjű test hőmennyiségének egy részét a 𝐶ℎ = 𝑚 ∗ 𝑐ℎ ; [19] hőkapacitás tárolja, és a többi részét vezeti el az Rh hőátvitel, hőellenállás. [19] Az a gép, amelynek állandósult hőmérséklete éppen eléri a szigetelőanyagra megengedett 𝜏1 hőmérsékletet P1 teljesítménynél, P2 teljesítményen is üzemeltethető annak ellenére, hogy az ott keletkező 𝜏2 lényegesen nagyobb mint a megengedett hőmérséklet, de csak addig a ∆𝑡 ideig, ameddig a hőmérséklet a 𝜏1 határhőmérsékletre nő. Ebből következően a melegedési folyamatok számításánál a P2 ismeretében ∆𝑡, ∆𝑡 ismeretében P2 számítható. A keletkező hőmennyiség áramlásához hőlépcsőre van szükség a hőellenálláson. Állandósult állapotban az időegység alatt átáramló hőmennyiség, és a hőlépcső is állandó. Egy Rh hőellenálláson átáramoló hőforrás Ph hőveszteségi teljesítménye 𝜗 hőmérséklet különbséget hoz létre. [19] A következőkben a villamos motorok melegedésére több egyszerűsített modellt fogok bemutatni, ami a későbbiekben bemutatott motor melegedési, és hűlési eredményeinek 21

értelmezéséhez szükséges. 3.2 Forgórész melegedési modellje állandósult állapotban Ennél a modellnél az a feltételezés áll fenn, hogy az állórész termodinamikailag nincs kapcsolatban a forgórésszel. Ha a kiáramló túlhevülés 𝜗𝑙 , akkor a forgórész egészét tekintve az átlagos túlmelegedés 𝜗𝑙 /2. A tekercs veszteségi teljesítményének átáramlása a tekercs és a vastest közötti hőlépcsőt hozza létre: 𝜗𝑡,𝐹𝑒 = 𝑃𝑡 ∗ 𝑅𝑡 ,[19] ahol ’𝜗𝑡,𝐹𝑒 ’ a tekercs és a vastest közötti hőlépcső, ’𝑃𝑡 ’ a tekercs veszteségi teljesítménye, ’𝑅𝑡 ’ a horonyban fekvő tekercsoldal és a horony hőellenállása. A forgórész vastest és a hűtőlevegő közötti hőátadás hőlépcsőjét a tekercs és a vastest veszteségi teljesítménye okozza a hőellenálláson. 𝜗𝑓 = (𝑃𝑡 + 𝑃𝐹𝑒 ) ∗ 𝑅𝑓 ,[19] ahol ’𝜗𝑓 ’ a vastest és a hűtőlevegő közötti hőátadás hőlépcsője, ’𝑃𝐹𝑒 ’ a vastest veszteségi teljesítménye, ’𝑅𝑓 ’ a felületi hőellenállás. A hűlés vázlata (17.ábra):

17.ábra: Forgórész hűlésének termikus vázlata állandósult állapotban[19]

Az átlagos hőlépcső a környezet és a hűtőlevegő közötti hőellenálláson 𝜗𝑙 /2, valamint az átáramló teljesítmény Pt+PFe+Ps. 𝜗𝑙 2

= (𝑃𝑡 + 𝑃𝐹𝑒 + 𝑃𝑠 ) ∗ 𝑅𝑙 ,[19]

ahol ’𝑅𝑙 ’ a hűtőlevegő ellenállása. Az egymást követő hőlépcsők összege adja a tekercs átlagos túlmelegedését. A kapott egyenlet átrendezve: 𝑅 +𝑅𝑙

𝑓 𝜗𝑡 = (𝑅𝑡 + 𝑅𝑓 + 𝑅𝑙 ) ∗ (𝑃𝑡 + 𝑅 +𝑅 𝑡

𝑓 +𝑅𝑙

𝑅

∗ 𝑃𝐹𝑒 + 𝑅 +𝑅 𝑙 +𝑅 ∗ 𝑃𝑠 ),[19] 𝑡

𝑓

𝑙

ahol (𝑅𝑡 + 𝑅𝑓 + 𝑅𝑙 ) = 𝑅ℎ , a tekercs és a környezet közötti teljes hőellenállás, és a 𝑅 +𝑅𝑙

𝑓 (𝑃𝑡 + 𝑅 +𝑅 𝑡

𝑓 +𝑅𝑙

𝑅

∗ 𝑃𝐹𝑒 + 𝑅 +𝑅 𝑙 +𝑅 ∗ 𝑃𝑠 ) = 𝑃𝑣 a mértékadó veszteség. Tehát: 𝑡

𝑓

𝑙

𝜗𝑡 = 𝑃𝑣 ∗ 𝑅ℎ ,[19] 22

A tekercs átlagos túlmelegedése a mértékadó veszteség és a tekercs és a környezet közötti teljes hőellenállás szorzata.[19] 3.3 Egyhőtárolós dinamikus modell Ha egy m tömegű, ch fajhőjű testen belül nincs hőleadás, akkor annak hőmérséklete ∆𝐴ℎ hőenergia növekedés hatására ∆𝜗 a -vel nő. ∆𝐴ℎ = 𝑚 ∗ 𝑐ℎ ∗ ∆𝜗; [19] Mivel a fajhő az egységnyi tömegre vett hőkapacitás, ezért: 𝑚 ∗ 𝑐ℎ = 𝐶ℎ , és ∆𝐴ℎ = 𝐶ℎ ∗ ∆𝜗 ; [19] A hőteljesítmény pedig a hőenergia időbeli változása: 𝑃ℎ (𝑡) =

𝑑𝐴(𝑡) 𝑑𝑡

= 𝐶ℎ ∗

𝑑𝜗(𝑡) 𝑑𝑡

,[19]

Amennyiben van hőleadás, akkor a hőteljesítmény egy része leadódik a környezet felé, egy része pedig a hőkapacitásban tárolódik. Ha a hőteljesítményt állandónak feltételezzük, akkor 𝑃ℎ = 𝑝𝑘 (𝑡) + 𝑝𝑐 (𝑡) =

𝜗(𝑡) 𝑅ℎ

+ 𝐶ℎ ∗

𝑑𝜗(𝑡) 𝑑𝑡

,[19]

Ahol ’𝑝𝑘 (𝑡)’ a környezet felé leadott hőteljesítmény, ’𝑝𝑐 (𝑡)’ a kapacitásban felhalmozódott hőteljesítmény adott idő alatt. Ezt egy villamos áramköri vázlattal könnyen lehet szemléltetni, mely az alábbi ábrán látható (18.ábra):

18.ábra: Egytárolós termikus tranziens folyamat villamos áramköri vázlata[19]

Az állandósult állapotban a hőmérséklet növekedés megáll, így Pc=0, Ph=Pk, és 𝜗∞ = 𝑃ℎ ∗ 𝑅ℎ ,[19] ahol ’𝜗∞ ’ az állandósult állapotra értelmezett túlmelegedés. 3.4 Kéthőtárolós dinamikus modell Ez az elméleti modell a teljesen zárt motorra írja fel a termikus folyamatokat. A zárt motornál a hűtőlevegő csak az állórész külsejét hűti, és a forgórész az állórészen keresztül hűl. A kéthőtárolós modell a forgó és az állórész mértékadó veszteséggel számol, amely a tekercs és a vasveszteségeket tartalmazza. Ezekről a veszteségekről feltételezhető, hogy a tekercsben keletkeznek. ’Pvr’ a forgórész, ’Psr’ az állórész mértékadó vesztesége. Ezzel az egyszerűsítéssel azt nyeri a modell, hogy a tekercs és a vas melegedési időállandóját egyezőnek veszi. A súrlódási veszteségeket nem veszi figyelembe. Az állórészhez képest a 23

forgórész túlmelegszik, ∆𝜗 = 𝜗𝑟 − 𝜗𝑠 mértékben.[19] A forgórészre vonatkozó egyenlet: 𝑃𝑣𝑟 − 𝐶𝑟

𝑑𝜗𝑟 (𝑡)

𝜗𝑟 (𝑡)−𝜗𝑠 (𝑡)

=

𝑑𝑡

𝑅𝑟

∆𝜗(𝑡)

=

𝑅𝑟

,[19]

amiből: 𝑃𝑣𝑟 ∗ 𝑅𝑟 = 𝑇𝑟 ∗

𝑑𝜗𝑟 (𝑡) 𝑑𝑡

+ ∆𝜗(𝑡); [19]

A forgórész túlmelegedése az állórészhez képest állandósult állapotban: ∆𝜗∞ = 𝑃𝑣𝑟 ∗ 𝑅𝑟 ; [19] Az egyenletekben az ’s’ index az állórészre, az ’r’ index a forgórészre, utal. Az ’𝜗’ az átlagos túlmelegedés, ’R’ a hőellenállás, ’C’ a hőkapacitás, továbbá az időállandó: 𝑇𝑟 = 𝑅𝑟 ∗ 𝐶𝑟 . Az állórész egyenlete: ∆𝜗

𝑃𝑣𝑠 + 𝑅 − 𝐶𝑠 𝑟

𝑑𝜗𝑠 𝑑𝑡

=

𝜗𝑠 −𝜗𝑘ö𝑟𝑛𝑦 𝑅𝑠

𝜗

= 𝑅𝑠 ; [19] 𝑠

amiből: 𝑅

𝑃𝑣𝑠 ∗ 𝑅𝑠 + 𝑅𝑠 ∆𝜗 = 𝑇𝑠 ∗ 𝑟

𝑑𝜗𝑠 𝑑𝑡

+ 𝜗𝑠 ; [19]

ahol az időállandó 𝑇𝑠 = 𝑅𝑠 ∗ 𝐶𝑠 . Az állórész állandósult túlmelegedése: 𝜗𝑠∞ = 𝑃𝑣𝑠 ∗ 𝑅𝑠 + 𝑃𝑣𝑟 ∗ 𝑅𝑠 = (𝑃𝑣𝑠 + 𝑃𝑣𝑟 ) ∗ 𝑅𝑠 ; [19] A differenciál egyenletek egyszerűsítés miatt azt feltételezi a modell, hogy az álló- és a forgórész hőmérséklete a t=0 időpillanatban megegyezik, tehát ∆𝜗0 = 0, és azt, hogy a forgórész sokkal gyorsabban felmelegszik mint az állórész. Így a melegedési folyamatot fel lehet bontani két szakaszra. Az egyik, amikor az állórész hőmérséklete állandó a forgórész melegedése alatt, másik pedig amikor az állórész-forgórész hőmérséklet különbség állandósága miatt, az állórész elkezd melegedni. A forgórész egyenletéből: 𝑑𝜗𝑟 (𝑡)

∆𝜗∞ = 𝑇𝑟

𝑑𝑡

+ ∆𝜗(𝑡); [19]

ebből: 𝑑𝑡 𝑇𝑟

𝑑𝜗𝑟 (𝑡)

𝑑𝜗 (𝑡)

= ∆𝜗

∞ −∆𝜗(𝑡)

𝑟 = − ∆𝜗(𝑡)−∆𝜗 ; [19] ∞

Ha 𝜗𝑠 = á𝑙𝑙., akkor 𝑑∆𝜗 = 𝑑𝜗𝑟 , é𝑠 𝑑∆𝜗 = 𝑑(∆𝜗−∆𝜗∞ ), ezért: 𝑑𝑡

𝑑(∆𝜗−∆𝜗∞ )

𝑟

∆𝜗−∆𝜗∞

−𝑇 =

; [19]

Külön integrálva a két oldalt t=0-tól t-ig a következő egyenlet adódik: 𝑡

∆𝜗−∆𝜗∞

− 𝑇 = 𝑙𝑛 ∆𝜗

0 −∆𝜗∞

𝑟

; [19]

az időbeli változások: ∆𝜗(𝑡) = ∆𝜗∞ + (∆𝜗0 − ∆𝜗∞ )𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

= ∆𝜗∞ ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

) + ∆𝜗0 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

; [19] 24

∆𝜗0 = 0 𝑒𝑠𝑒𝑡é𝑛 ∆𝜗(𝑡) = 𝜗𝑟 (𝑡) − 𝜗𝑠 (𝑡) = ∆𝜗∞ ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

) = 𝑃𝑣𝑟 ∗ 𝑅𝑟 ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

); [19]

Az állórész egyenletből: 𝜗𝑠∞ = 𝑇𝑠 ∗

𝑑𝜗𝑠 𝑑𝑡

+ 𝜗𝑠 ; [19], ebből

𝑑𝜗 (𝑡)

𝑑𝑡

𝑠 − 𝑇 = 𝜗 (𝑡)−𝜗 ; [19] 𝑠

𝑠

𝑠∞

Ha 𝜗𝑟 = 𝜗𝑟∞, akkor 𝑑𝜗𝑠 = 𝑑(𝜗𝑠 − 𝜗𝑠∞ ), akkor 𝑑𝑡

−𝑇 = 𝑠

𝑑(𝜗𝑠 (𝑡)−𝜗𝑠∞ ) 𝑡 ,−𝑇 𝜗𝑠 (𝑡)−𝜗𝑠∞ 𝑠

=

𝑑(𝜗𝑠 −𝜗𝑠∞ ) 𝜗𝑠 −𝜗𝑠∞

; [19]

Külön integrálva a két oldalt a következő egyenlet adódik: 𝑡

(𝜗 −𝜗

𝑠

𝑠0

)

− 𝑇 = 𝑙𝑛 𝜗 𝑠 −𝜗𝑠∞ ; [19] 𝑠∞

az időbeli változások: 𝜗𝑠 (𝑡) = 𝜗𝑠∞ + (𝜗𝑠0 − 𝜗𝑠∞ )𝑒

𝑡 𝑇𝑟

−

= 𝜗𝑠∞ ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

) + 𝜗𝑠0 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

; [19]

∆𝜗0 = 0 𝑒𝑠𝑒𝑡é𝑛 𝜗𝑠 (𝑡) = 𝜗𝑠∞ ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

) = 𝑅𝑠 ∗ (𝑃𝑣𝑠 + 𝑃𝑣𝑟 ) ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

); [19]

Tehát a forgórész túlmelegedése egyenlő az állórész túlmelegedésének és a forgórész-állórész hőlépcsőjének az összegével. 𝜗𝑟 (𝑡) = ∆𝜗(𝑡) + 𝜗𝑠 (𝑡); [19] 𝜗𝑟 (𝑡) = (𝜗𝑟 − 𝜗𝑠 )∞ ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

) + 𝜗𝑠∞ ∗ (1 − 𝑒

−

𝑡 𝑇𝑟

); [19]

A forgórész állandósult túlmelegedése: 𝜗𝑟∞ (𝜗𝑟 − 𝜗𝑠 )∞ + 𝜗𝑠∞ = 𝑃𝑣𝑟 ∗ 𝑅𝑟 + (𝑃𝑣𝑠 + 𝑃𝑣𝑟 ) ∗ 𝑅𝑠 ; [19] A következő ábrán a melegedési folyamat látható kéthőtárolós modell alapján (19.ábra):

19.ábra: A kéthőtárolós modell szerinti melegedési folyamat [19]

25

3.5 Villamos motorok hűtésének általános gyakorlati megoldásai A villanymotorok hűtése nagyon ritka esetektől eltekintve léghűtés. A levegőhűtésnek különböző előfordulási lehetőségei vannak a gyakorlatban. Az átszellőző hűtés esetén a villanymotoron belül áramlik a hűtőlevegő. A hűtőlevegő a villanymotor környezetéből származhat, illetve ha a motor környezetében lévő levegő túl meleg, vagy szennyezett, akkor csővezetékkel érkezik a villanymotor terén kívülről. Ez utóbbi alkalmazást használhatják akkor is, ha a villanymotor túl kis légtérben van elhelyezve. Nagyobb teljesítményű villamos gépeknél használják a körléghűtést, ami szintén az átszellőző hűtés egy fajtája. Ebben az esetben a hűtőlevegő egy zárt térben cirkulál, és a villanymotoron kívüli térrészben van elhelyezve a hőcserélő, ahol történik a meleg levegő hűlése. Felületi hűtéskor a villanymotor tengelyén lévő ventilátor áramoltatja a levegőt a motor felületén, így a levegő a motor külső bordázott felületén áramlik. Így valósul meg a hűtés. Zárt gépek esetén alkalmazzák. Kényszerhűtést akkor alkalmaznak, ha a villanymotor tengelyére szerelt ventilátor nem képes létrehozni hűtéshez szükséges légáramot, és ezáltal a hűtés nem megfelelő. Ilyen akkor jöhet létre, ha a villanymotort frekvenciaváltóval üzemeltetik a névleges fordulatszámnál kisebb fordulatszámon. Ebben az esetben a ventillátort külön tekercseléssel látják el. [21]

4.

TEFC motor melegedési-hűlési folyamatának modellezése 4.1

A tématerület ismertetése

Az elektromos gépek termikus vizsgálataira általában sokkal kisebb odafigyelést szentelnek a fejlesztőmérnökön, mint az elektromágneses folyamatok elemzésére. A motortervezők általában csak annyira veszik figyelembe a termikus folyamatokat, hogy meghatározzák a megengedhető áramsűrűséget, vagy a motor egyéb más paramétereit, amelyek a kialakuló hőmérsékletre hatással vannak. Mivel a veszteségek függnek a hőmérséklettől is, ezért pontosa elemezni az elektromágneses hatásokat a termikus hatások elemzése nélkül lehetetlen, csak úgy, mint a termikus hatásokat elemezni az elektromágneses hatások nélkül.[22] Ebből következőleg az elektromos gépeknek, és azon belül az indukciós motorok fejlesztésének egyik legfontosabb kulcstényezője a hatékonyság növelésének érdekében a melegedési folyamatok meghatározása. Az előző pontokban az elektromos motorok melegedéseinek meghatározására egy egyszerűsített modellt mutattam be, azonban ahhoz, hogy a melegedési folyamatokról szakszerűbb képet kapjunk, ezek a modellek nem 26

elegendőek. Mivel az indukciós motorok teljes melegedési folyamatának hagyományos módon

való

meghatározása bonyolult,

és

időigényes

feladat,

az

utóbbi

időben

elengedhetetlenül fontossá vált a hőmérsékleti változások becslése, és matematikai számítógépes szoftverekkel való kiszámíttatása. Azokban a motorokban ahol a frekvencia, és a feszültség változtatható, ennek eredményeképpen a nyomaték és a fordulatszám is változtatható, éppen ezért a motornak a hőmérsékleti skálája, amelyben dolgozik, megnő. A magas, és változó hőmérséklet van a legjobban hatással a motor szigetelőanyagára, ami mint azt az 1.3.1 fejezetben említettem a motor korai tönkremenetelét, illetve váratlan meghibásodását

gátolja

meg.

Az

indukciós

motorok

melegedési

folyamatainak

rekonstruálásához több eljárás lett már feltalálva, azonban ezek a technikák keveset mondanak a hő szétterjedéséről a motorban, illetve a működés szempontjából kritikus részekről. [23] A villamos motorok termikus folyamatainak az elemzése, és ábrázolása egy átfogóbb képet tud nyújtani a motor egyes részeinek működéséről, illetve azok veszteségeiről. Az eljárás technikája numerikus maradt, de a végeselem és hálózó programoknak köszönhetően, a veszteségek miatt bekövetkező disszipációk az egész motorkonstrukción nyomon követhetőek. Ezért vált az elektromos motorok termikus analízisének nagyon fontos részévé a végeselem módszertan. Ebben a dolgozatban egy már lemodellezett motornak a melegedési folyamatait fogom meghatározni, illetve az abban szereplő hűtőlevegőt vízzel fogom helyettesíteni, és a kettő közti különbségről adok számot. A számításokat kézzel előzetesen elvégeztem, a termikus folyamatok szemléltetésére pedig végeselem és hálózó programot használtam. Az általam használt program a Matlab alapú, FEMM4.2 nevű program, amely ingyenesen letölthető az internetről. [http://www.femm.info/wiki/HomePage] 4.1.1 Motor bemutatása Az ipari alkalmazásokban leginkább elterjedt váltakozó áramú motor a TEFC, totally enclosed fan-cooled, azaz a teljesen zárt ventillátorral hűtött struktúrájú motor.[23] A dolgozatomban szereplő indukciós motor geometriai méreteit egy 1.5kW-os, 2pólusú, kis konstrukciójú TEFC alapú motor adja, amelynek speciálisabb geometriai méreteit a melegedési folyamatok kiértékelése érdekében 2D, kereszt metszetben kellett rajzolnom. A keresztmetszeti ábrázolást a „Computational analysis of temperature rise phenomena in electric induction motors” című cikk [Ying Huai, Roderick V.N. Melnik, Paul B. Thogersen (2002), Computational analysis of temperature rise phenomena in electric induction motors] 4. ábrájáról tudtam leolvasni, és ezek alapján a becsült értékek alapján a számításaimat végezni. A következő ábrán a cikk 4. ábrája, (20.ábra): 27

20.ábra: „The axial cross-section geometric configuration of the motor (dimensions are given in meters)”: A motor axiális keresztmetszeti ábrája(a dimenzió méterben adott) [23]

Ahol a számok a következőket jelentik: 1. Tengely 2. Csapágyak 3. Keret 4. Állórész tekercselés 5. Tekercselés vég 6. Állórész mag 7. Forgórész [23] Ezek alapján az információk alapján állítottam össze a végeselem és hálózó programban a vizsgálandó motort. Az ábrán az általam készített 2D, metszeti, geometriai vázlat a motorról (21.ábra):

22.ábra: axiális keresztmetszeti ábra

A geometriai méretek megbecsülése után a motor különböző részeinek anyagi 28

tulajdonságainak meghatározására volt szükség, ami az ábrán szintén jól látható (22.ábra). Az anyagi tulajdonságok magukban hordozzák a későbbi számolásokhoz szükséges hővezetési tényezőt, és a sugárzó képességi tényezőt. 4.1.2 Villanymotorokon belüli hőközlési formák Köztudottan léteznek kísérleti módszerek az indukciós villamos motorok teljes veszteségéből adódó hőmérsékleti változások meghatározására. Ezek az eljárások biztosan jobban tükrözik az egyes elemek hőmérsékletét, azonban kivitelezésük általában bonyolult, és drága. Ezért van szükség matematikai modellekre. A 2.1.1 fejezetben bemutattam az általam feldolgozott TEFC indukciós motortípust. Az ilyen típusú motorokban az állórész mágneses mezejének keringetése miatt, váltakozó feszültség gerjesztődik a rotor körében.[23] Amikor a három fázist és az áramot az állórész tekercseire kapcsoljuk, akkor egy mágneses mező kezd el forogni a motor légüres terében. Amennyiben a váltakozó áram frekvenciája ismert, akkor a forgó mágneses fluxus sebessége is kiszámítható, a következő képlet alapján: f

ns = 120 ∗ p;[23] ahol ’f’ a váltakozó áram frekvenciája, ’p’ pedig a pólusok száma fázisonként. Ez a forgó mágneses fluxus feszültséget indukál a forgórészben, és mivel a forgórész tekercselése zárt, ezért áram kezd el folyni benne. Ezek után az áram kölcsönhatásba lép a forgó mágneses térrel, és a Lorentz-erő hatására a forgatónyomaték jelenik meg a tengelyen, és elkezd forogni. A mágneses tér és a rotor közötti sebesség a szlip, és mint azt már az 1.2.4 fejezetben bemutattam, az: 𝑠=

𝑛𝑠 − 𝑛 𝑛𝑠

képlettel írható fel, ahol ’s’ a szlip, és ’n’ a rotor sebessége fordulat/perc dimenzióban. Amikor a motor leadja a forgatónyomatékot a tengelynek, veszteségek lépnek föl, amelyek elkerülhetetlenek, és hő formájában távoznak a rendszerből. A motor összes veszteségének a feltárása nagyon bonyolult feladat, de a főbb veszteségeket jellemzően négy csoportba lehet sorolni: 1. állórész magvesztesége (vasveszteség) 2. állórész tekercsvesztesége (rézveszteség) 3. forgórész tekercsvesztesége (rézveszteség) 4. súrlódási, mechanikai veszteség [23] A súrlódási, mechanikai veszteségek kis részét képezik a teljes veszteségnek, jelentőségük azonban nagy fordulatszámnál megnő a tengelyek, csapágyak stb. környezetében. Dolgozatomban ezekkel a fajta veszteségekkel nem foglalkozom. Az első három veszteség, 29

amely tulajdonképpen elektromágneses veszteség a teljes veszteségnek 75-90%-a.[23] Dolgozatomban ezeknek az elektromágneses veszteségeknek a meghatározására fektettem a hangsúlyt, így továbbiakban ezeknek a matematikai modelljéről lesz szó. Több különböző eljárás létezik az elektromágneses veszteségek meghatározására. Az indukciós motorok veszteségeinek feltérképezéséhez fel lehet rajzolni egy a motorban lezajló folyamatokkal egyenértékű villamos kapcsolást. Az indukciós motorokkal egyenértékű villamos kapcsolás a következő ábrán látható (23.ábra):

23.ábra: az indukciós motorral egyenértékű áramköri kapcsolás[23]

Az ’Ri’ i=1,2,m ellenállásokat, az ’Xi’ i=1,2,m reaktancia értékeket, az ’Ii’ i=1,2,m az áramerősséget jelenti. Az első ellenállás, és tekercs az állórésszel, a második a mágneses effektussal, és a harmadik a forgórésszel egyezik meg.’U1’ az állórészt tápláló fázisonkénti feszültség. Ezekre a paraméterekre az Ohm törvényt lehet alkalmazni, és annak segítségével a szükséges elektromágneses veszteségeket meghatározni.[23] Pcu1 = mR1 I11 , [23] 2 P𝑚 = mR 𝑚 I𝑚 ,[23]

Pcu2 = mR 2 I22 ,[23] ahol ’Pcu1’ az állórész rézvesztesége, ’Pm’ az állórész magvesztesége, ’Pcu2’ a forgórész rézvesztesége, és ’m’ a fázisok száma, ami ebben az esetben m=3.[23] Az áramerősségek kiszámolása a következő képletek alapján történik: I1 = Z I2 =

U1 (Zm +Z2 ) 1𝜎 Zm +Z1𝜎 Z2 +Z𝑚 Z2

, [23]

U1 Zm Z1𝜎 Zm +Z1𝜎 Z2 +Z𝑚 Z2

I𝑚 = Z

[23]

U1 Z2 1𝜎 Zm +Z1𝜎 Z2 +Z𝑚 Z2

[23]

ahol ’Z1’ az állórész, ’Zm’ a mágneses tér, ’Z2’ a forgórész impedanciája. Z1𝜎 = R1 + jX1𝜎 ,[23] Z2 =

R2 s

+ jX2 ,[23]

Z𝑚 = R 𝑚 + jX𝑚 ,[23] És végül a reaktancia kiszámolása a következő formulával lehetséges: X1𝜎 = 2𝜋fl1 ,[23] 30

X2 = 2𝜋fl2 ,[23] X𝑚 = 2𝜋fl𝑚 ,[23] ahol ’l1’ az állórész, ’l2’ forgórész, és ’lm’ a mágneses induktív ellenállás. Így a motor veszteségteljesítményei meghatározhatók. A motor speciális paraméterei a következő táblázaton látható (1.táblázat): Paraméter Teljesítmény Fázisszög Tömeg Rotor sebesség Fázisok száma Sztator induktív ellenállás Mágneses induktív ellenállás Rotor induktív ellenállás Feszültség Áramerősség Frekvencia Pólusok száma Sztator ellenállás Mágneses ellenállás Rotor ellenállás

Érték 1.5 kW 0.79 13.5 kg 1400 1/p 3 0.01598 H 0.2972 H 0.01182 H 380-415 V 3.55 A 50 Hz 2 6.509Ω 2200Ω 4.512Ω

1.táblázat: a motor névleges paraméterei (Jani Sebestyén)[23]

A motor melegedési folyamata során a hőközlésnek mind a három fajtája érvényesül a rendszerben. A termodinamika II. főtétele szerint a hő csak a nagyobb hőmérsékletű közegből tud áramlani a kisebb hőmérsékletű közeg felé, természetes úton. A hőközlés három féle módon valósul meg. Hővezetés, hőátadás, illetve hősugárzás. Szilárd testekben, illetve nyugalomban lévő gázokban és folyadékokban lép fel a hővezetés. A hőátadás, illetve konvekció az áramló gázokban vagy folyadékokban lép föl két szilárd test között, a hősugárzáshoz pedig nem szükséges közvetítő közeg.[5,104.o] Ennek értelmében a motor szilárd részeiben, úgymint a forgórész és az állórész a hőmennyiség hővezetés formájában áramlik. Ezért a Fourier-féle törvényt lehet alkalmazni a motor különböző részein. dt

q = −λ dx[24] ahol ’q’ a közvetített hőmennyiség, ’λ’ a hővezetési tényező, ’dx’ egy rétegvastagság a fal felületétől x távolságra. A következő táblázatom tartalmazza azoknak az anyagoknak a hővezetési tényezőit amelyekre a későbbi számolásokhoz szükség van (2.táblázat):

31

Anyag Vas Aluminium Acél Réz

k 81 237 45...55 399

2.táblázat:motor különböző részeinek hővezetési tényezői (Jani Sebestyén)[25]

Az indukciós motor hőközlésének egy része sugárzás útján megy végbe. Ez a fajta energiaátadás nem csupán az adott motorrész sugárzási együtthatójának értékétől függ, hanem a hőmérséklettől is.[3] A Stefan-Boltzmann képlet: 𝑇

𝑇

1 4 2 4 Q = ε ∗ 𝐶𝑠 ∗ ((100 ) − (100 ) )[24]

ahol ’ε’ a módosított sugárzási együttható, ami anyagfüggő. ’Cs’ a fekete test sugárzási együtthatója, és értéke W

Cs = 5.77 m2 K4[24] ’T’ pedig a sugárzó, és a sugározott test abszolút hőmérséklete Kelvinben. A következő táblázatom tartalmazza a sugárzási együtthatókat (3.táblázat):

Anyag Öntöttvas (érdes) Kovácsolt vas (fényes) Kovácsolt vas (oxidált) Aluminium

0.97 0.29 0.95 0.08

3.táblázat: a motor különböző részeinek sugárzási együtthatója (Jani Sebestyén) [23]

Az áramló gázok, és folyadékok szilárd falak között történő hőközlését, hőátadásnak nevezik. Az időegységben átadott hőmennyiség leginkább a közeg áramlási sebességétől függ. Newton szerint a hőszállítás folyamán közölt hőmennyiség egyenesen arányos a melegebb és a hidegebb közeg hőfokkülönbségével, a felület nagyságával, és az idővel: Q = 𝛼 ∗ F ∗ (t1 − t 2 ) ∗ i, [24] ahol ’F’ a felületek nagysága, ’t1,2,’ a közegek hőmérséklete, ’i’ az időhányados, és ’ 𝛼’ a hőátadás tényezője, amely az a hőmennyiség, ami időegység alatt, egy hőfokkülönbség esetén a hőáramlás irányára merőleges metszet 1m2-én áthalad.[24] Az 𝛼 függ az áramló gáz vagy folyadék sebességétől, azaz az áramlási viszonyoktól. Ezért az ’𝛼’ hőátadási tényező meghatározásához meg kell határozni, hogy a motorban milyen áramlási viszonyok uralkodnak. Ahhoz, hogy ezt megtehessem, a hőátadási tényezőt fel kell bontani két további alkotóra, ahol az egyik a disszipáció a motorban lévő lapátok szerkezetéről, a másik pedig a disszipáció a ventillátorlapátok közötti felületről. A következőkben Reynolds-számtól függő erőltetett hőáramlási együttható kiszámolásáról mutatok be eljárást. 32

Re =

Va Fl 𝜅

, [23]

ahol ’Va’ az áramló közeg sebessége a lapátok kezdeténél, ’Fl’ a lapátok axiális hossza, ’κ’ a levegő kinematikai viszkozitása. Tapasztalati adatok alapján egy ventillátor által forgatott levegő sebessége a ventilátor lapátjainak a szélein mérhető sebesség 70°-a.[23] Ezek után a disszipciók meghatározására kell törekedni. A továbbiakban ’ha’ a disszipáció a lapátok szerkezetéről, és ’hl’ a disszipáció a ventillátorlapátok közötti felületről.[23] Mielőtt továbbmennék muszáj meghatároznom a ventilátor lapát geometriai méreteit. A lapátok geometriai méreteit a következő táblázat tartalmazza (4.táblázat):

Ventillátorlapát adatai Lapátok mélysége (Fl) Lapátok száma Átlagos szélesség (Fh) Távolság két lapát között (Fw)

Méret 20mm 36db 140mm 10mm

4.táblázat: ventillátorlapát adatai (Jani Sebestyén) [23]

Ezekből az adatokból, és előzetes számításokból kiderül, hogy a Reynolds-szám nagyobb mint 7x104-en, ezért az áramlás turbulens. Amennyiben az áramlás lamináris lenne, a hőátadási tényezőt más módon kéne meghatározni, de mivel itt az áramlás turbulens, a lamináris áramlású meghatározással nem foglalkozom. Így a légmennyisé meghatározása: H′ =

0.035(Re)0.8 (1−0.23(Fh /F𝑤 )0.5 )K

, [23]

F𝑙

módon történik, ahol ’K’ a levegő hőátadási tényezője. Ez után a lapátok szerkezeténél lévő hőveszteségből származó hőátadási együttható: F

ha = H′(1 − 0.02 (F h )),[23] w

és a ventillátorlapátok közötti felületről származó hőveszteségből adódó hőátadási együttható: hl =

0.03(R𝑒)0.8 (1−0.23(Fh /FW )0.5 )K Fl

, [23]

A hőátadási tényező az áramlási viszonyokon kívül a fal felületének fajhőjétől, hővezetési tényezőjétől is függ, ezért a hőátadási tényező, tovább nem részletezve, a következő módon írható fel:[24] αsz = 6.5 + 0.05(T − Tkülső ), [23] ahol ′αsz ′ a szabad hőátadási tényező. A számolási módszerek bemutatása után következhet az adott motor melegedési folyamatainak végeselem és hálózó programba vitele, szemléltetése, értékelése. 4.2

Elemzések

4.2.1 A motor végeselem és hálózó programba vitele Amint azt a 2.1.1 fejezetben már említettem, a választott motor egy 1.5 kW-os, 2 33

pólusú, kisméretű TEFC indukciós motor adatain alapul. Ahhoz, hogy a végeselem és hálózó programban értékelni lehessen a melegedési folyamatokat, a motor számos szerkezeti elemét egyszerű, de egyértelmű rajzelemekkel, vonalakkal, görbületekkel kell helyettesíteni. Ezeknek a helyettesítéseknek az eredményeképpen tudott létrejönni a 22.ábrán szereplő 2D-s, keresztmetszeti ábra. Mint azt a 2.2.1 fejezetben is említettem ez az ábra a 3.forrás 4.ábrájának az utánzata, a geometriai méretek viszonylagos megtartásával. A geometria meghatározása után a motor egyes szerkezeti elemek a tényezőinek a pontosabb meghatározása szükséges. A számítógépes geometria, és szükséges peremfeltételek meghatározása után a motornak a végeselemes hálózása következett. A háló méretét 0.05-re, és a minimális szögértéket 20-ra állítottam, és így a program 7653 csomópontot, és 14783 elemet reprodukált. A hálózott motormetszet a következő ábrán látható (24.ábra):

24.ábra: a motor metszetének hálózása

A probléma

megoldása

a

program

által

feldarabolt

egyes

rácspontokban

lévő

törvényszerűségek kiértékelésével történik. 4.2.2

A motor melegedéseinek kimutatása, a melegedési eredmények értékelése

A peremfeltételek meghatározása után, amelyeknek a meghatározását a 2.1.2 fejezetben említettem, a program a test minden egyes rácspontjában értékeli folyamatokat, és ennek eredményeképpen születik meg a motornak a melegedési folyamatait szemléltető ábra. Számolásaim során termikus szempontból a motornak az állandósult állapotát vettem, ami kísérleti eredmények alapján körülbelül egy óra működtetés során érhető el.[23] A motor 34

bemelegedése során a melegedési értékek kisebbek, ezért a kiértékelt hőmérsékletekkel az alatt az idő alatt is lehet számolni, mivel a gyakorlatban ezek kisebb értékek. A következő ábrán a motor keresztmetszetének melegedési ábrája, és a hozzá tartozó hőmérsékleti skála látható (25.ábra):

25.ábra: a hő terjedése a motor keresztmetszetében

A motor keresztmetszeti ábráján a hő terjedésének elemzésekor, ami látható a 26.ábrán, nyilvánvalóan látszik, hogy a legnagyobb hőmérséklet a tekercsvégi pontokban indukálódik, ennélfogva ez a pont a modellnek egy magassági pontja. Ez a terület a legérzékenyebb az indukciós motorokban hőmérsékleti károsodás szempontjából, ezért ennek a környezetében kell a legjobban odafigyelni a szigetelőanyag megválasztására. Az állórész tekercselése igen nagy hőt termel, ami a környező levegő, felmelegedését okozza. A forgórész, és az állórész tekercsvesztesége együtt akkora hőmérsékletváltozást okoz a rotorban, hogy annak a hőmérséklete is kritikussá válhat. Ebben a modellben a motor hűtése levegővel történik. A vízzel való hűtés eredményességét a következő pontban részletezem. 4.2.3 A vízzel való hűtés eredménye A villanymotorok vízzel való hűtését csak egyes nagyon ritka esetekben szokták alkalmazni, mivel a legtöbb esetben nem indokolt. A villanymotorok nem melegednek fel annyira, illetve egyszerű konstrukciójuk miatt a legkézenfekvőbb megoldás a villanymotor tengelyére szerelt ventilátor, és annak a segítségével a levegő áramoltatása. Csak kivételesen nagy teljesítményeknél, fordulatszámoknál, alkalmazzák a vízhűtést, illetve olyan helyen ahol a motor már eleve meleg környezetben van, illetve olyan szennyezett környezetben, vagy olyan kis térfogatú helyen, ahol a környezet levegőjéből való hűtése nem megoldható. Igaz 35

azonban, hogy ez utóbbi esetben is inkább levegőt szokták a motor hűtőközegeként a motorhoz vezetni, és ott valamilyen módon, azt áramoltatni, majd hőcserélők segítségével a levegőt visszahűteni a kívánt hőfokra. Abban az esetben, ha vizet használnak hűtőközegként, akkor, a levegővel ellentétben, ami a motor belsejében korlátlanul tud áramlani, kivéve a már említett esetekben, a hűtőközegnek külön hűtőcsatornát kell kialakítani a motorházon belül, mivel természetesen semmilyen folyadék nem juthat be a villanymotor házán belülre irányítatlanul, mivel az a villanymotor tönkremenetelét okozhatja. Ahhoz, hogy egy nagyobb teljesítményű motort elő lehessen állítani, egy viszonylag nagy hatékonyságú hűtő, és keringető rendszerre is szükség van, ami képes megfelelően elvezetni a motor melegedéseit a motorházon belülről. Nagy fejlesztéseket értek el a közvetlen vízhűtésű módszerekkel, amelyekkel a sztator viszonylagosan alacsony hőmérséklete biztosítható. A következő vízhűtési módszerek indukciós motorokhoz, a gyakorlatban is előfordulnak.[22]: 1. Indukciós termográfiát használó motor vízhűtéses modellje 2. Teljesen zárt vízkörű hűtőeljárás a kalickás indukciós motorokhoz 3. Duplakörös vízhűtés elrendezés az indukciós motorok hűtésére 4. Forszírozott hűtés az állórészre szerelt vízcsövekkel[22] Ezek a hűtési eljárások mind áramoltatott vízhűtési eljárások, ahol a víz a környezet miatt hűl. Mivel a víz áramoltatása nem történhet a motor teljes keresztmetszetén keresztül, ezért a vízzel való hűtés esetén a hűtőközeg áramoltatása egyszerű légi ventillátorral sem történhet, mint az az előző pontokban értékelt TEFC motor esetében történik a levegővel. Ezért egy külön szivattyú szükséges, a hűtővíz áramoltatásához, ami az indukciós motorházon kívül helyezkedik el, és ebbe kell belevezetni a befolyó ágat, illetve a visszafolyó ágat. A folyadékszállításra alkalmas berendezéseknek alapvetően két fajtája létezik, a térfogatkiszorítás elvén működő szivattyúk, és az áramlástani elven működő szivattyúk. A térfogat kiszorítási elven működő szivattyúk egy növekvő, majd egy csökkenő teret hoznak létre, aminek hatására a folyadék beáramlik a szivattyúba, majd a csökkenő tér hatására onnan kiszorul. Ezt nevezik térfogatkiszorításnak. Az áramlástani elven működő szivattyúk, mint ahogyan azt a neve is mondja, a folyadék szállítására valamilyen áramlástani törvényszerűséget használnak. Az áramlástani elven működő szivattyúknak a centrifugál szivattyú, vagy örvényszivattyú. Az örvényszivattyúknak nagy előnye az, hogy folyamatosan képesek folyadékot szállítani, ami a hűtési alkalmazásoknak igen jelentős tényezője. Az örvényszivattyú járókerekének a lapátjai a centrifugális erő felhasználásával a szivattyúházba belépő folyadékot felgyorsítják, aminek hatására a folyadék mozgási energiája megnő, és ez a 36

mozgási energia alakul át nyomási energiává a szivattyúházban. A folyadék a szivattyú szívócsonkján lép be, és a lapátok közé jut. A forgó lapátok magukkal ragadják a folyadékot, és a felgyorsult folyadék a lapátról érintőirányba távozik a nyomócsonkon át. Ha a szívócsonk, és a nyomócsonk ugyan akkora átmérőjű lenne, akkor az érkező, és a távozó folyadék sebessége is ugyan akkora lenne, ezért a szivattyúházban nagyon fontos feladata van a folyamatosan bővülő csigavonal alakú csatornának, mert ez teszi lehetővé a folyadék mozgási energiájának a nyomási energiává való átalakítását, és ez biztosítja azt az energiát, ami a folyadék folyamatos szállításához szükséges. A járókerék forgása folyamán az onnan kilépő folyadék helyére újabb folyadék áramlik a szívócsonkon keresztül, ezért lesz a folyadékszállítás folyamatos. [26] Dolgozatomban a szivattyú kiválasztásával, illetve méretezésével nem foglalkozom, és a hűtővíz kapilláris elvezetésének megoldása szintén nem csatlakozik a szakdolgozatom témájához. Ezért a későbbiekben ismertetett eljárás, amikor a hűtőlevegőt hűtővízzel cserélem fel, csak elméleti jellegűek. A gyakorlatba közvetlenül át nem helyezhető, de egy jó becslést ad a hűtővíz, és a hűtőlevegő pozitív, és negatív tulajdonságairól, és a kettő közötti hűtő hatás különbségeiről. Az áramló folyadékoknál is ugyan úgy, mint az áramló gázoknál a hőközlés hőátadás útján terjed. A hűtőközegnek, ami jelen esetben víz, átadott hőmennyiség, a hűtőközeg sebességétől függ, mivel a felülettel érintkezésbe kerülő közegrészecske annál gyorsabban cserélődik ki, minél gyorsabb az áramló folyadék sebessége.[24] Így a hűtővízre is a Newton szerinti hőátadás érvényesül a motor felületén belül tehát: Q = α ∗ F ∗ (t1 − t 2 ) ∗ i; [24] képlettel számítható ki. Az ’𝛼’ hőátadási tényező értékét az áramlási viszonyok meghatározása után lehet csak megválasztani. Az áramlási viszonyokhoz szükséges a víz sebessége, amit a motoron kívül elhelyezett szivattyú szolgáltat. Mivel én a szivattyú méretezésével nem foglalkozom, ezért a szivattyú által generált víz sebességét jó közelítéssel 𝑚

m

0,5 𝑠 -nak veszem föl. ’α’ értéke vízre, amennyiben a víz sebessége v=0-2 s között van, a következő képlettel számítható: 𝛼𝑣í𝑧 = 300 + 1800√𝑣, [24] A hőátadási tényező kiszámolásával, és az eredeti adatok figyelembevételével, a motor hőtani folyamatai lemodellezhetőek. Mint azt említettem már, dolgozatomban nem vettem figyelembe azt a tényt, hogy a hűtővíznek külön hűtőkörre van szüksége, mert zárt hűtőkör nélkül a motor felületén belül nem keringethető. Ezért a modellem ugyan az a modell, amit már korábban a 22.ábrán bemutattam, azzal a különbséggel, hogy az ott levegőként ábrázolt 37

teret víz vette át. Ezzel mintegy becslést kapunk a víz hűtő hatására. A következő ábrán látható a hő terjedése, és a hozzá tartozó hőmérsékleti skála, víz hűtőközeg esetén (26.ábra):

26.ábra: a hő terjedése a motor keresztmetszetében, vízhűtéses esetben

Bár ami a hő terjedési jellegét illeti, sok különbség nincs a két féle hűtési mód között, de az látható, hogy a hőmérsékleti skála, az ilyen sebességű vízkeringetésnél jóval lejjebb van, mint az eredeti konstrukciós légárammal hűtött ventillátoros kivitel esetén. Továbbá modellemből az derül ki, hogy a víz által hűtött motor esetén a forgórész ugyan kisebb értékben, de területileg nagyobb méretben melegszik át mint a ventillátoros esetben. Ebben a modellben is megállapítható, hogy a legmelegebb pontok a tekercsek végpontjainál keletkeznek. Véleményem szerint ilyen kis teljesítményű motor hűtőlevegőjének hűtővízre cserélése felesleges. A motor veszteségei által kialakult hőmérsékletek nem olyan magasak, hogy a vízzel való hűtés indokolt lenne. A vízzel való hűtés több szerkezeti átalakítást vonna maga után, kezdve a hűtővíz kapillárisok beépítésével. Eredményeim alapján a motor levegővel való hűtése elegendő, továbbá a 15.ábra értelmében, szigetelőanyag szerint is maximum B kategóriába rangsorolható. 2.3

Összegzés

Napjaink egyik legnagyobb problémája a globális szintű környezetszennyezés. A környezetszennyezésnek egyik legnagyobb hányadát a fosszilis energiahordozók égetésével nyert energia káros hatásai adják. A fosszilis energiahordozók égetése során számos olyan anyag keletkezik, amely károsítja a környezetet, növeli az üvegházhatást, amivel a föld élővilágát, és éghajlatát rongálja. Jelenleg a járművek nagyon nagy hányada is fosszilis energiahordozóval működik, ezért a közutakon, városokban közlekedő járművek belsőégésű 38

motorjai szolgáltatják a világ CO2 kibocsátásának közel 25%-át [4], valamint ezek a gépek függnek jelenleg még a leginkább ezektől a fajta energiahordozóktól, ugyanis kőolaj függőségük körülbelül 98%-ra tehető.[4] 2014-es adatok szerint a világ gépjárműállománya körülbelül 1 milliárdra tehető, és ez a szám a mai technológiának köszönhetően nagyon gyorsan növekszik, mivel a mobilitás iránti igény is növekszik. A fejlődő országokban egyre inkább igény van a járművek használására, aminek köszönhetően a gépjárműállomány egyre nagyobb mértékben fog növekedni. Ha a jelenlegi fosszilis energiahordozók felhasználtsági szintjén maradunk, de tartjuk a gépjármű növekedési normát, és az ipar által felhasznált fosszilis energiahordozók százalékát sem csökkentjük, a visszafordíthatatlan folyamatokat indíthatunk el, és jóvá nem tehető károkat okozhatunk bolygónk életében. E mellett az előremutatás mellett áll az a tény, hogy a föld kőolaj készletei kifogyóban vannak, akár már 2050-re is kimerülhetnek. [4] Ezek miatt a tények miatt van szükség a fosszilis energiahordozók felváltására a járműalkalmazásokban, ami a mai technológia szerint a villanymotorokkal történhet. Bár a tisztán villamos hajtás mellett léteznek egyéb megoldások is a fosszilis energiahordozók felváltására, úgymint hibrid hajtás, vagy közvetett módú villamos hajtás, de ezekben mind közös a villamos motor. A villamos motoroknak, ahhoz, hogy járművekben alkalmazhatóak legyenek, egy adott mechanikai jelleggörbét kell teljesíteniük (3.ábra). Ez alapján bizonyos konstrukciójú villanymotorok alkalmazhatóak csak. Ezeknek a típusoknak a működését, szerkezetét, és felhasználását bemutattam. A villanymotorok sokkal jobb hatásfokkal rendelkeznek mint a belsőégésű motorok, de természetesen a villanymotorokban is keletkeznek veszteségek. A veszteségek disszipálódnak, hővé alakulnak, és hasznos energiaként többé nem visszafordíthatók. Ezért a villanymotorok hőtani vizsgálata, a villanymotorban keletkező hő terjedésének modellezése, a villanymotorok veszteségeit szemlélteti, aminek értékelése a motorfejlesztésben elengedhetetlen. Mivel a keletkező hő veszteségek a motor élettartamára nagy hatással vannak, muszáj számításokat végezni a kialakuló hőmérsékletekről. A hőmérsékletek kialakulásáról több matematikai modell is létezik már, de átfogóbb képet tud szolgáltatni egy végeselem hálózás segítségével készült modell. Ebben a dolgozatban az elektromos indukciós motoroknak a hőmérsékleti változásaira, és a hőtani jelenségeire mutattam be egy közelítő modellt végeselem és hálózó program segítségével. Egy létező TEFC motornak a melegedési folyamatait mutattam be, illetve mint tanulmányi példát a motornak a levegővel való hűtésének hűtőközegét vízre cseréltem, és a két eljárásból adódó különbségeket mutattam be. A dolgozatomban leírt eredmények elméleti 39

alapúak, a gyakorlatba át nem helyezhetőek, mivel a vízzel való hűtéshez szükséges hűtőcsatornákat, azoknak veszteségeit nem vettem figyelembe, mégis jó becslést ad, hogy mi történne az adott villanymotor hűtőlevegőjének hűtővízre cserélése esetén.

40

Irodalomjegyzék [1]

Magyar Nagylexikon, Tizennyolcadik kötet Magyar Nagylexikon: Magyar Nagylexikon Kiadó, 475-477.o, Budapest, 2004

[2]

Holics László: Fizika, 1. kötet Klasszikus fizika Fizika: Műszaki Könyvkiadó, 689-693.o, Budapest, 1992

[3]

Kutatás a fenntartható járműhajtásért: http://www.matud.iif.hu/2012/07/MOBI/12.htm

[4]

Járműhajtásra alkalmas villamos motorok elemzése: http://www.kitt.uni-obuda.hu/mmaws/2014/pages/program/papers/20.pdf

[5]

Budik Gy.: Belső égésű motorok hidrogén üzeme Belső égésű motorok hidrogén üzeme: BME Gépjárművek Tsz.,1-9. oldal, 2008

[6]

Blága Csaba: Villamos és hibrid közúti járművek: http://web.uni-miskolc.hu/~elkblaga/Autoelektronika/EHV.pdf

[7]

Magyar kutatás eredménye a hidrogén termelő, tároló egység: http://www.energiacentrum.com/hidrogen/hidrogen-termeles-tarolas-celjat-szolgalohazai-kutatas-eredmenye/

[8]

A jövő autója - a HIBRIDAUTÓ: http://www.alternativenergia.hu/wpcontent/themes/alternativenergia/tudjmegtobbet.php?catid=16

[9]

Villamos járművek: https://vet.bme.hu/sites/default/files/tamop/vivem263hu/out/html/vivem263hu.html#d 6e1110

[10]

Villamos járművek: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0048_VIVEM263HU/ch05.html

[11]

Aszinkronmotoros hajtások: http://www.vgt.bme.hu/okt/atal_vh/ill_08/aszinkrn.pdf

[12]

Váltakozóáramú gépek: http://siva.bgk.uniobuda.hu/~langer/Mechatronika%20alapjai/Valtakozo%20aramu%20gepek.pdf

[13]

Háromfázisú aszinkronmotor működési jellemzői: http://olahvill.hu/a-haromfazisu-aszinkronmotor-mukodesi-jellemzoi 41

[14]

BLDC motor PID szabályozása: http://www.kjit.bme.hu/images/stories/targyak/irtech2/bldc_motor_segedlet.pdf

[15]

Kapcsolt reluktancia motoros hajtások: http://www.mee.hu/files/images/5/Szamel_Laszlo-Kapcsolt_reluktancia.pdf

[16]

Elektrotechnika: http://siva.bgk.uni-obuda.hu/~langer/Elektrotechnika/nappali/Elektrotechnika8.pdf

[17]

Szinkron motoros hajtások: http://www.vgt.bme.hu/okt/atal_vh/ill_08/szinkron.pdf

[18]

Szinkron gépek: http://web.uni-miskolc.hu/~elkblaga/madaimotorok/O44.pdf

[19]

Villamos gépek termikus folyamatainak modellezése: http://www.vgt.bme.hu/okt/modellez/termikus.pdf

[20]

Elektrotechnika: http://siva.bgk.uniobuda.hu/~langer/Mechatronika%20alapjai/Villmot%20kiv%C3%A1laszt%C3%A1s. pdf

[21]

Villanymotor hűtése: http://olahvill.hu/a-villanymotor-hutese

[22]

Banti K., Ashita G., Asst. Prof. Ashutosh K. C.: IMPROVING THERMAL WITHSTANDING CAPACITY OF THREEPHASE INDUCTION MOTOR USING NWCC METHOD http://granthaalayah.com/Articles/Vol2Iss3/04_IJRG14_A12_54.pdf

[23]

Ying H., Roderick V.N. M., Paul B. T.: Computational analysis of temperature rise phenomena in electric induction motors, Németország, 1-14.o, 2002

[24]

Dr. Író Béla, Dr. Zsenák Ferenc: MŰSZAKI HŐTAN MŰSZAKI HŐTAN: Széchenyi István egyetem, Általános Gépészeti Tanszék, 104117.o

[25]

Anyagok hővezetési és hőmérséklet-vezetési tényezői: https://hu.wikipedia.org/wiki/H%C5%91m%C3%A9rs%C3%A9kletvezet%C3%A9si_t%C3%A9nyez%C5%91

[26]

Áramlástani szivattyúk: http://www.kepzesevolucioja.hu/dmdocuments/4ap/8_2047_027_101215.pdf

[27]

Pil-Wan H., Jae-Hak C., Dong-Jun K., Yon-Do C., Deok-Je B., Thermal Analysis of 42

High Speed Induction Motor by Using Lumped-Circuit Parameters: http://www.jeet.or.kr/LTKPSWeb/uploadfiles/be/201507/270720151442082347500.pd f

43