ایئر کولڈ سسٹم اور ایک مربوط واٹر کولنگ سسٹم کو ملا کر انڈکشن موٹرز کا تھرمل مینجمنٹ تجزیہ

Nature.com پر جانے کا شکریہ۔آپ محدود سی ایس ایس سپورٹ کے ساتھ براؤزر کا ورژن استعمال کر رہے ہیں۔بہترین تجربے کے لیے، ہم تجویز کرتے ہیں کہ آپ ایک اپ ڈیٹ شدہ براؤزر استعمال کریں (یا انٹرنیٹ ایکسپلورر میں مطابقت موڈ کو غیر فعال کریں)۔اس دوران، جاری تعاون کو یقینی بنانے کے لیے، ہم اس سائٹ کو بغیر اسٹائل اور جاوا اسکرپٹ کے دکھا رہے ہیں۔
انجن کے آپریٹنگ اخراجات اور لمبی عمر کی وجہ سے، ایک مناسب انجن تھرمل مینجمنٹ کی حکمت عملی انتہائی اہم ہے۔اس مضمون نے بہتر استحکام فراہم کرنے اور کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے انڈکشن موٹرز کے لیے تھرمل مینجمنٹ کی حکمت عملی تیار کی ہے۔اس کے علاوہ، انجن کولنگ کے طریقوں پر لٹریچر کا ایک وسیع جائزہ لیا گیا۔بنیادی نتیجہ کے طور پر، حرارت کی تقسیم کے معروف مسئلے کو مدنظر رکھتے ہوئے، ہائی پاور ایئر کولڈ غیر مطابقت پذیر موٹر کا تھرمل حساب کتاب دیا جاتا ہے۔اس کے علاوہ، یہ مطالعہ موجودہ ضروریات کو پورا کرنے کے لیے دو یا زیادہ ٹھنڈک کی حکمت عملیوں کے ساتھ ایک مربوط نقطہ نظر کی تجویز پیش کرتا ہے۔100 کلو واٹ ایئر کولڈ اسینکرونس موٹر کے ماڈل اور اسی موٹر کے ایک بہتر تھرمل مینجمنٹ ماڈل کا عددی مطالعہ، جہاں ایئر کولنگ اور ایک مربوط واٹر کولنگ سسٹم کے امتزاج سے موٹر کی کارکردگی میں نمایاں اضافہ حاصل کیا گیا ہے۔ انجام دیا.SolidWorks 2017 اور ANSYS Fluent 2021 ورژن استعمال کرتے ہوئے ایک مربوط ایئر کولڈ اور واٹر کولڈ سسٹم کا مطالعہ کیا گیا۔تین مختلف پانی کے بہاؤ (5 L/min، 10 L/min، اور 15 L/min) کا روایتی ایئر کولڈ انڈکشن موٹرز کے خلاف تجزیہ کیا گیا اور دستیاب شائع شدہ وسائل کا استعمال کرتے ہوئے تصدیق کی گئی۔تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ مختلف بہاؤ کی شرحوں کے لیے (بالترتیب 5 L/min، 10 L/min اور 15 L/min) ہم نے 2.94%، 4.79% اور 7.69% کی اسی درجہ حرارت میں کمی حاصل کی۔لہذا، نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ ایمبیڈڈ انڈکشن موٹر ایئر کولڈ انڈکشن موٹر کے مقابلے درجہ حرارت کو مؤثر طریقے سے کم کر سکتی ہے۔
الیکٹرک موٹر جدید انجینئرنگ سائنس کی اہم ایجادات میں سے ایک ہے۔الیکٹرک موٹرز گھریلو آلات سے لے کر گاڑیوں تک ہر چیز میں استعمال ہوتی ہیں، بشمول آٹوموٹو اور ایرو اسپیس انڈسٹریز۔حالیہ برسوں میں، انڈکشن موٹرز (AM) کی مقبولیت ان کے زیادہ شروع ہونے والے ٹارک، تیز رفتار کنٹرول اور اعتدال سے زیادہ بوجھ کی صلاحیت (تصویر 1) کی وجہ سے بڑھی ہے۔انڈکشن موٹرز نہ صرف آپ کے لائٹ بلب کو چمکاتی ہیں، بلکہ وہ آپ کے گھر کے زیادہ تر گیجٹس کو، آپ کے ٹوتھ برش سے لے کر آپ کے Tesla تک پاور کرتی ہیں۔IM میں مکینیکل توانائی سٹیٹر اور روٹر وائنڈنگز کے مقناطیسی میدان کے رابطے سے پیدا ہوتی ہے۔اس کے علاوہ، نایاب زمینی دھاتوں کی محدود فراہمی کی وجہ سے IM ایک قابل عمل آپشن ہے۔تاہم، ADs کا بنیادی نقصان یہ ہے کہ ان کی زندگی بھر اور کارکردگی درجہ حرارت کے لیے بہت حساس ہے۔انڈکشن موٹرز دنیا کی تقریباً 40% بجلی استعمال کرتی ہیں، جس کی وجہ سے ہمیں یہ سوچنا چاہیے کہ ان مشینوں کی بجلی کی کھپت کا انتظام کرنا بہت ضروری ہے۔
Arrhenius مساوات یہ بتاتی ہے کہ آپریٹنگ درجہ حرارت میں ہر 10 ° C اضافے کے لئے، پورے انجن کی زندگی آدھی رہ جاتی ہے۔لہذا، وشوسنییتا کو یقینی بنانے اور مشین کی پیداواری صلاحیت کو بڑھانے کے لیے، بلڈ پریشر کے تھرمل کنٹرول پر توجہ دینا ضروری ہے۔ماضی میں، تھرمل تجزیہ کو نظر انداز کیا جاتا رہا ہے اور موٹر ڈیزائنرز نے ڈیزائن کے تجربے یا دیگر جہتی متغیرات جیسے وائنڈنگ کرنٹ کثافت وغیرہ کی بنیاد پر مسئلہ کو صرف دائرے میں ہی سمجھا ہے۔ کیس حرارتی حالات، جس کے نتیجے میں مشین کے سائز میں اضافہ ہوتا ہے اور اس وجہ سے لاگت میں اضافہ ہوتا ہے۔
تھرمل تجزیہ کی دو قسمیں ہیں: lumped سرکٹ تجزیہ اور عددی طریقے۔تجزیاتی طریقوں کا بنیادی فائدہ حسابات کو تیزی سے اور درست طریقے سے انجام دینے کی صلاحیت ہے۔تاہم، تھرمل راستوں کی نقل کرنے کے لیے کافی درستگی کے ساتھ سرکٹس کی وضاحت کرنے کے لیے کافی کوشش کی جانی چاہیے۔دوسری طرف، عددی طریقوں کو تقریباً کمپیوٹیشنل فلوڈ ڈائنامکس (CFD) اور ساختی تھرمل تجزیہ (STA) میں تقسیم کیا گیا ہے، یہ دونوں ہی محدود عنصر تجزیہ (FEA) استعمال کرتے ہیں۔عددی تجزیہ کا فائدہ یہ ہے کہ یہ آپ کو ڈیوائس کی جیومیٹری کو ماڈل کرنے کی اجازت دیتا ہے۔تاہم، سسٹم سیٹ اپ اور حسابات بعض اوقات مشکل ہو سکتے ہیں۔ذیل میں زیر بحث سائنسی مضامین مختلف جدید انڈکشن موٹرز کے تھرمل اور برقی مقناطیسی تجزیہ کی منتخب مثالیں ہیں۔ان مضامین نے مصنفین کو غیر مطابقت پذیر موٹروں میں تھرمل مظاہر اور ان کی ٹھنڈک کے طریقوں کا مطالعہ کرنے کی ترغیب دی۔
Pil-Wan Han1 MI کے تھرمل اور برقی مقناطیسی تجزیہ میں مصروف تھا۔lumped سرکٹ تجزیہ کا طریقہ تھرمل تجزیہ کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، اور وقت کے لحاظ سے مختلف مقناطیسی محدود عنصر کا طریقہ برقی مقناطیسی تجزیہ کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔کسی بھی صنعتی ایپلی کیشن میں مناسب طریقے سے تھرمل اوورلوڈ تحفظ فراہم کرنے کے لیے، سٹیٹر وائنڈنگ کے درجہ حرارت کا قابل اعتماد اندازے کے مطابق ہونا ضروری ہے۔احمد et al.2 نے گہرے تھرمل اور تھرموڈینامک تحفظات پر مبنی ایک اعلیٰ ترتیب والے ہیٹ نیٹ ورک ماڈل کی تجویز پیش کی۔صنعتی تھرمل تحفظ کے مقاصد کے لیے تھرمل ماڈلنگ کے طریقوں کی ترقی تجزیاتی حل اور تھرمل پیرامیٹرز پر غور کرنے سے فائدہ اٹھاتی ہے۔
Nair et al.3 نے الیکٹریکل مشین میں تھرمل ڈسٹری بیوشن کا اندازہ لگانے کے لیے 39 kW IM اور 3D عددی تھرمل تجزیہ کا مشترکہ تجزیہ کیا۔Ying et al.4 نے 3D درجہ حرارت کے تخمینے کے ساتھ پنکھے سے ٹھنڈا مکمل طور پر منسلک (TEFC) IMs کا تجزیہ کیا۔چاند وغیرہ۔5 نے CFD کا استعمال کرتے ہوئے IM TEFC کی گرمی کے بہاؤ کی خصوصیات کا مطالعہ کیا۔LPTN موٹر ٹرانزیشن ماڈل Todd et al.6 نے دیا تھا۔تجرباتی درجہ حرارت کا ڈیٹا مجوزہ ایل پی ٹی این ماڈل سے اخذ کردہ حسابی درجہ حرارت کے ساتھ استعمال کیا جاتا ہے۔Peter et al.7 نے ہوا کے بہاؤ کا مطالعہ کرنے کے لیے CFD کا استعمال کیا جو الیکٹرک موٹروں کے تھرمل رویے کو متاثر کرتا ہے۔
Cabral et al8 نے ایک سادہ IM تھرمل ماڈل تجویز کیا جس میں مشین کا درجہ حرارت سلنڈر حرارت کے پھیلاؤ کی مساوات کو لاگو کرکے حاصل کیا گیا تھا۔Nategh et al.9 نے CFD کا استعمال کرتے ہوئے خود کو ہوادار کرشن موٹر سسٹم کا مطالعہ کیا تاکہ آپٹمائزڈ اجزاء کی درستگی کو جانچ سکیں۔اس طرح، عددی اور تجرباتی مطالعات کو انڈکشن موٹرز کے تھرمل تجزیہ کی نقل کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، انجیر دیکھیں۔2.
Yinye et al.10 نے معیاری مواد کی عام تھرمل خصوصیات اور مشین کے حصے کے نقصان کے عام ذرائع سے فائدہ اٹھا کر تھرمل مینجمنٹ کو بہتر بنانے کے لیے ایک ڈیزائن تجویز کیا۔Marco et al.11 نے CFD اور LPTN ماڈلز کا استعمال کرتے ہوئے مشین کے اجزاء کے لیے کولنگ سسٹم اور واٹر جیکٹس ڈیزائن کرنے کے لیے معیار پیش کیا۔Yaohui et al.12 ایک مناسب ٹھنڈک کا طریقہ منتخب کرنے اور ڈیزائن کے عمل کے شروع میں کارکردگی کا جائزہ لینے کے لیے مختلف رہنما خطوط فراہم کرتا ہے۔Nell et al.13 نے ملٹی فزکس کے مسئلے کے لیے اقدار کی دی گئی رینج، تفصیل کی سطح اور کمپیوٹیشنل پاور کے لیے جوڑے ہوئے برقی مقناطیسی تھرمل سمولیشن کے لیے ماڈلز استعمال کرنے کی تجویز پیش کی۔Jean et al.14 اور Kim et al.15 نے 3D کپلڈ FEM فیلڈ کا استعمال کرتے ہوئے ایئر کولڈ انڈکشن موٹر کے درجہ حرارت کی تقسیم کا مطالعہ کیا۔جول نقصانات کو تلاش کرنے اور تھرمل تجزیہ کے لیے استعمال کرنے کے لیے 3D ایڈی کرنٹ فیلڈ تجزیہ کا استعمال کرتے ہوئے ان پٹ ڈیٹا کا حساب لگائیں۔
Michel et al.16 نے روایتی سینٹرفیوگل کولنگ فین کا تقابل مختلف ڈیزائنوں کے محوری پنکھوں کے ساتھ نقلی اور تجربات کے ذریعے کیا۔ان میں سے ایک ڈیزائن نے اسی آپریٹنگ درجہ حرارت کو برقرار رکھتے ہوئے انجن کی کارکردگی میں چھوٹی لیکن نمایاں بہتری حاصل کی۔
Lu et al.17 نے انڈکشن موٹر کے شافٹ پر لوہے کے نقصانات کا اندازہ لگانے کے لیے بوگلیٹی ماڈل کے ساتھ مل کر مساوی مقناطیسی سرکٹ کا طریقہ استعمال کیا۔مصنفین فرض کرتے ہیں کہ سپنڈل موٹر کے اندر کسی بھی کراس سیکشن میں مقناطیسی بہاؤ کی کثافت کی تقسیم یکساں ہے۔انہوں نے اپنے طریقہ کار کا محدود عنصر کے تجزیہ اور تجرباتی ماڈلز کے نتائج سے موازنہ کیا۔یہ طریقہ MI کے ایکسپریس تجزیہ کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، لیکن اس کی درستگی محدود ہے۔
18 لکیری انڈکشن موٹرز کے برقی مقناطیسی میدان کا تجزیہ کرنے کے لیے مختلف طریقے پیش کرتا ہے۔ان میں، ری ایکٹو ریلوں میں بجلی کے نقصانات کا تخمینہ لگانے کے طریقے اور کرشن لکیری انڈکشن موٹرز کے درجہ حرارت میں اضافے کی پیش گوئی کرنے کے طریقے بیان کیے گئے ہیں۔ان طریقوں کو لکیری انڈکشن موٹرز کی توانائی کی تبدیلی کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔
زبدور وغیرہ۔19 نے سہ جہتی عددی طریقہ استعمال کرتے ہوئے کولنگ جیکٹس کی کارکردگی کی چھان بین کی۔کولنگ جیکٹ تھری فیز IM کے لیے کولنٹ کے بنیادی ذریعہ کے طور پر پانی کا استعمال کرتی ہے، جو پمپنگ کے لیے درکار پاور اور زیادہ سے زیادہ درجہ حرارت کے لیے اہم ہے۔Rippel et al.20 نے مائع کولنگ سسٹم کے لیے ایک نیا طریقہ پیٹنٹ کیا ہے جسے ٹرانسورس لیمینیٹڈ کولنگ کہا جاتا ہے، جس میں ریفریجرنٹ ایک دوسرے کے مقناطیسی لیمینیشن میں سوراخوں سے بنے ہوئے تنگ خطوں سے عبور کرتے ہوئے بہتا ہے۔Deriszade et al.21 نے ایتھیلین گلائکول اور پانی کے مرکب کا استعمال کرتے ہوئے آٹوموٹو انڈسٹری میں کرشن موٹرز کو ٹھنڈا کرنے کی تجرباتی طور پر تحقیقات کی۔CFD اور 3D ٹربلنٹ فلوئڈ تجزیہ کے ساتھ مختلف مرکبات کی کارکردگی کا جائزہ لیں۔Boopathi et al.22 کے ایک نقلی مطالعہ سے پتہ چلتا ہے کہ واٹر کولڈ انجنوں کے لیے درجہ حرارت کی حد (17-124°C) ایئر کولڈ انجنوں (104-250°C) کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم ہے۔ایلومینیم واٹر کولڈ موٹر کا زیادہ سے زیادہ درجہ حرارت 50.4 فیصد کم ہو گیا ہے، اور PA6GF30 واٹر کولڈ موٹر کا زیادہ سے زیادہ درجہ حرارت 48.4 فیصد کم ہو گیا ہے۔Bezukov et al.23 نے مائع کولنگ سسٹم کے ساتھ انجن کی دیوار کی تھرمل چالکتا پر پیمانے کی تشکیل کے اثر کا جائزہ لیا۔مطالعات سے پتہ چلتا ہے کہ 1.5 ملی میٹر موٹی آکسائڈ فلم گرمی کی منتقلی کو 30٪ تک کم کرتی ہے، ایندھن کی کھپت میں اضافہ کرتی ہے اور انجن کی طاقت کو کم کرتی ہے۔
Tanguy et al.24 نے مختلف بہاؤ کی شرحوں، تیل کے درجہ حرارت، گردشی رفتار اور الیکٹرک موٹروں کے لیے انجیکشن کے طریقوں کے ساتھ تجربات کیے جو چکنا کرنے والے تیل کو کولنٹ کے طور پر استعمال کرتے ہیں۔بہاؤ کی شرح اور مجموعی طور پر کولنگ کی کارکردگی کے درمیان ایک مضبوط تعلق قائم کیا گیا ہے۔Ha et al.25 نے تیل کی فلم کو یکساں طور پر تقسیم کرنے اور انجن کو ٹھنڈا کرنے کی کارکردگی کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے ڈرپ نوزلز کو نوزلز کے طور پر استعمال کرنے کا مشورہ دیا۔
Nandi et al.26 نے انجن کی کارکردگی اور تھرمل مینجمنٹ پر L کی شکل کے فلیٹ ہیٹ پائپ کے اثر کا تجزیہ کیا۔ہیٹ پائپ ایوپوریٹر کا حصہ موٹر کیسنگ میں نصب کیا جاتا ہے یا موٹر شافٹ میں دفن کیا جاتا ہے، اور کنڈینسر والے حصے کو مائع یا ہوا گردش کر کے انسٹال اور ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔Bellettre et al.27 نے ایک عارضی موٹر سٹیٹر کے لیے PCM ٹھوس مائع کولنگ سسٹم کا مطالعہ کیا۔پی سی ایم سمیٹنے والے سروں کو رنگ دیتا ہے، اویکت تھرمل توانائی کو ذخیرہ کرکے گرم جگہ کے درجہ حرارت کو کم کرتا ہے۔
اس طرح، موٹر کی کارکردگی اور درجہ حرارت کو ٹھنڈک کرنے کی مختلف حکمت عملیوں کا استعمال کرتے ہوئے جانچا جاتا ہے، انجیر دیکھیں۔3. یہ کولنگ سرکٹس وائنڈنگز، پلیٹوں، وائنڈنگ ہیڈز، میگنےٹ، لاش اور اختتامی پلیٹوں کے درجہ حرارت کو کنٹرول کرنے کے لیے بنائے گئے ہیں۔
مائع کولنگ سسٹم اپنی موثر حرارت کی منتقلی کے لیے جانا جاتا ہے۔تاہم، انجن کے ارد گرد کولنٹ پمپ کرنے میں بہت زیادہ توانائی خرچ ہوتی ہے، جس سے انجن کی موثر پاور آؤٹ پٹ کم ہو جاتی ہے۔دوسری طرف، ایئر کولنگ سسٹم اپنی کم لاگت اور اپ گریڈ میں آسانی کی وجہ سے وسیع پیمانے پر استعمال ہونے والا طریقہ ہے۔تاہم، یہ اب بھی مائع کولنگ سسٹم سے کم موثر ہے۔ایک مربوط نقطہ نظر کی ضرورت ہے جو اضافی توانائی استعمال کیے بغیر مائع ٹھنڈے نظام کی اعلی حرارت کی منتقلی کی کارکردگی کو ایئر کولڈ سسٹم کی کم قیمت کے ساتھ جوڑ سکے۔
یہ مضمون AD میں گرمی کے نقصانات کی فہرست اور تجزیہ کرتا ہے۔اس مسئلے کا طریقہ کار، نیز انڈکشن موٹرز کو گرم کرنے اور ٹھنڈا کرنے کے طریقہ کار کو کولنگ سٹریٹیجیز کے ذریعے انڈکشن موٹرز میں گرمی کے نقصان کے سیکشن میں بیان کیا گیا ہے۔انڈکشن موٹر کے کور کی گرمی کا نقصان گرمی میں بدل جاتا ہے۔لہذا، یہ مضمون انجن کے اندر ترسیل اور جبری کنویکشن کے ذریعے حرارت کی منتقلی کے طریقہ کار پر بحث کرتا ہے۔تسلسل مساوات، نیویئر-سٹوکس/مومینٹم مساوات اور توانائی کی مساوات کا استعمال کرتے ہوئے IM کی تھرمل ماڈلنگ کی اطلاع دی گئی ہے۔محققین نے الیکٹرک موٹر کے تھرمل نظام کو کنٹرول کرنے کے واحد مقصد کے لیے اسٹیٹر وائنڈنگز کے درجہ حرارت کا اندازہ لگانے کے لیے IM کے تجزیاتی اور عددی تھرمل اسٹڈیز کا مظاہرہ کیا۔یہ مضمون ایئر کولڈ IMs کے تھرمل تجزیہ اور CAD ماڈلنگ اور ANSYS فلوینٹ سمولیشن کا استعمال کرتے ہوئے مربوط ایئر کولڈ اور واٹر کولڈ IMs کے تھرمل تجزیہ پر توجہ مرکوز کرتا ہے۔اور ایئر کولڈ اور واٹر کولڈ سسٹمز کے مربوط بہتر ماڈل کے تھرمل فوائد کا گہرائی سے تجزیہ کیا گیا ہے۔جیسا کہ اوپر ذکر کیا گیا ہے، یہاں درج دستاویزات تھرمل مظاہر اور انڈکشن موٹرز کو کولنگ کے میدان میں آرٹ آف دی آرٹ کا خلاصہ نہیں ہیں، بلکہ وہ بہت سے مسائل کی نشاندہی کرتے ہیں جنہیں انڈکشن موٹرز کے قابل اعتماد آپریشن کو یقینی بنانے کے لیے حل کرنے کی ضرورت ہے۔ .
گرمی کے نقصان کو عام طور پر تانبے کے نقصان، لوہے کے نقصان اور رگڑ/مکینیکل نقصان میں تقسیم کیا جاتا ہے۔
تانبے کے نقصانات موصل کی مزاحمتی صلاحیت کی وجہ سے جول ہیٹنگ کا نتیجہ ہیں اور اس کی مقدار 10.28 کی جا سکتی ہے:
جہاں q̇g پیدا ہونے والی حرارت ہے، I اور Ve بالترتیب برائے نام کرنٹ اور وولٹیج ہیں، اور Re تانبے کی مزاحمت ہے۔
لوہے کا نقصان، جسے پرجیوی نقصان بھی کہا جاتا ہے، نقصان کی دوسری اہم قسم ہے جو AM میں ہسٹریسس اور ایڈی کرنٹ کے نقصانات کا سبب بنتی ہے، بنیادی طور پر وقت کے مختلف مقناطیسی میدان کی وجہ سے ہوتا ہے۔ان کی مقدار توسیعی سٹین میٹز مساوات کے ذریعہ کی جاتی ہے، جس کے قابلیت کو آپریٹنگ حالات10,28,29 کے لحاظ سے مستقل یا متغیر سمجھا جا سکتا ہے۔
جہاں Khn بنیادی نقصان کے خاکے سے اخذ کردہ ہسٹریسس نقصان کا عنصر ہے، کین ایڈی کرنٹ نقصان کا عنصر ہے، N ہارمونک انڈیکس ہے، Bn اور f بالترتیب غیر سائنوسائیڈل اتیجیت کی چوٹی بہاؤ کثافت اور تعدد ہیں۔مندرجہ بالا مساوات کو مزید آسان بنایا جا سکتا ہے اس طرح 10,29:
ان میں، K1 اور K2 بالترتیب بنیادی نقصان کا عنصر اور ایڈی کرنٹ نقصان (qec)، ہسٹریسیس نقصان (qh)، اور اضافی نقصان (qex) ہیں۔
ہوا کا بوجھ اور رگڑ کے نقصانات IM میں مکینیکل نقصانات کی دو اہم وجوہات ہیں۔ہوا اور رگڑ کے نقصانات 10 ہیں،
فارمولے میں، n گردشی رفتار ہے، Kfb رگڑ کے نقصانات کا گتانک ہے، D روٹر کا بیرونی قطر ہے، l روٹر کی لمبائی ہے، G روٹر کا وزن ہے 10۔
انجن کے اندر حرارت کی منتقلی کا بنیادی طریقہ کار ترسیل اور اندرونی حرارت کے ذریعے ہے، جیسا کہ اس مثال پر لاگو Poisson equation30 سے ​​طے ہوتا ہے:
آپریشن کے دوران، وقت میں ایک خاص نقطہ کے بعد جب موٹر مستحکم حالت میں پہنچ جاتی ہے، پیدا ہونے والی حرارت کا اندازہ سطح کے حرارت کے بہاؤ کی مسلسل حرارت سے لگایا جا سکتا ہے۔لہذا، یہ فرض کیا جا سکتا ہے کہ انجن کے اندر کی ترسیل اندرونی گرمی کی رہائی کے ساتھ کیا جاتا ہے.
پنکھوں اور آس پاس کے ماحول کے درمیان حرارت کی منتقلی کو جبری کنویکشن سمجھا جاتا ہے، جب کسی بیرونی قوت کے ذریعے سیال کو ایک خاص سمت میں منتقل کرنے پر مجبور کیا جاتا ہے۔کنویکشن کو 30 کے طور پر ظاہر کیا جا سکتا ہے:
جہاں h حرارت کی منتقلی کا گتانک (W/m2 K) ہے، A سطح کا رقبہ ہے، اور ΔT حرارت کی منتقلی کی سطح اور سطح پر کھڑے ریفریجرینٹ کے درمیان درجہ حرارت کا فرق ہے۔Nusselt نمبر (Nu) حد سے کھڑے محرک اور ترسیلی حرارت کی منتقلی کے تناسب کا ایک پیمانہ ہے اور اس کا انتخاب لیمینر اور ہنگامہ خیز بہاؤ کی خصوصیات کی بنیاد پر کیا جاتا ہے۔تجرباتی طریقہ کے مطابق، ہنگامہ خیز بہاؤ کا نوسلٹ نمبر عام طور پر رینالڈس نمبر اور پرانڈٹل نمبر سے منسلک ہوتا ہے، جس کا اظہار 30 کے طور پر کیا جاتا ہے:
جہاں h convective ہیٹ ٹرانسفر گتانک (W/m2 K) ہے، l خصوصیت کی لمبائی ہے، λ سیال کی تھرمل چالکتا ہے (W/m K)، اور Prandtl نمبر (Pr) تناسب کا ایک پیمانہ ہے مومینٹم ڈفیوژن گتانک تھرمل ڈفیوسیویٹی (یا تھرمل باؤنڈری لیئر کی رفتار اور نسبتہ موٹائی) کے لیے 30 کے طور پر بیان کیا گیا ہے:
جہاں k اور cp بالترتیب مائع کی تھرمل چالکتا اور مخصوص حرارت کی گنجائش ہیں۔عام طور پر، برقی موٹروں کے لیے ہوا اور پانی سب سے زیادہ عام کولنٹ ہیں۔محیطی درجہ حرارت پر ہوا اور پانی کی مائع خصوصیات کو جدول 1 میں دکھایا گیا ہے۔
IM تھرمل ماڈلنگ مندرجہ ذیل مفروضوں پر مبنی ہے: 3D مستحکم حالت، ہنگامہ خیز بہاؤ، ہوا ایک مثالی گیس ہے، نہ ہونے کے برابر تابکاری، نیوٹنین سیال، ناقابل تسخیر سیال، بغیر پرچی کی حالت، اور مستقل خصوصیات۔لہذا، مائع علاقے میں بڑے پیمانے پر، رفتار، اور توانائی کے تحفظ کے قوانین کو پورا کرنے کے لیے درج ذیل مساوات کا استعمال کیا جاتا ہے۔
عام صورت میں، بڑے پیمانے پر تحفظ کی مساوات مائع کے ساتھ سیل میں خالص بڑے پیمانے پر بہاؤ کے برابر ہوتی ہے، جس کا تعین فارمولے سے ہوتا ہے:
نیوٹن کے دوسرے قانون کے مطابق، مائع ذرہ کی رفتار کی تبدیلی کی شرح اس پر کام کرنے والی قوتوں کے مجموعے کے برابر ہے، اور عمومی رفتار کے تحفظ کی مساوات کو ویکٹر کی شکل میں لکھا جا سکتا ہے:
مندرجہ بالا مساوات میں ∇p، ∇∙τij، اور ρg کی اصطلاحات بالترتیب دباؤ، viscosity اور کشش ثقل کی نمائندگی کرتی ہیں۔کولنگ میڈیا (ہوا، پانی، تیل، وغیرہ) جو مشینوں میں کولنٹ کے طور پر استعمال ہوتے ہیں انہیں عام طور پر نیوٹنین سمجھا جاتا ہے۔یہاں دکھائے گئے مساواتوں میں صرف قینچ کے دباؤ اور قینچ کی سمت کے لئے کھڑے رفتار میلان (تناؤ کی شرح) کے درمیان ایک خطی تعلق شامل ہے۔مستقل چپچپا پن اور مستحکم بہاؤ پر غور کرتے ہوئے، مساوات (12) کو 31 میں تبدیل کیا جا سکتا ہے:
تھرموڈینامکس کے پہلے قانون کے مطابق، مائع ذرہ کی توانائی میں تبدیلی کی شرح مائع ذرہ سے پیدا ہونے والی خالص حرارت اور مائع ذرہ کے ذریعہ پیدا ہونے والی خالص طاقت کے مجموعے کے برابر ہے۔نیوٹنین کمپریس ایبل چپچپا بہاؤ کے لیے، توانائی کے تحفظ کی مساوات کو 31 کے طور پر ظاہر کیا جا سکتا ہے:
جہاں Cp مستقل دباؤ پر حرارت کی گنجائش ہے، اور اصطلاح ∇ ∙ (k∇T) مائع سیل کی حد کے ذریعے تھرمل چالکتا سے متعلق ہے، جہاں k تھرمل چالکتا کو ظاہر کرتا ہے۔حرارت میں مکینیکل توانائی کی تبدیلی کو \(\varnothing\) (یعنی چپچپا کھپت کا فعل) کے لحاظ سے سمجھا جاتا ہے اور اس کی تعریف اس طرح کی جاتی ہے:
جہاں \(\rho\) مائع کی کثافت ہے، \(\mu\) مائع کی viscosity ہے، u, v اور w بالترتیب مائع کی رفتار کی سمت x, y, z کا پوٹینشل ہیں۔یہ اصطلاح مکینیکل انرجی کے تھرمل انرجی میں تبدیل ہونے کی وضاحت کرتی ہے اور اسے نظر انداز کیا جا سکتا ہے کیونکہ یہ صرف اس صورت میں اہم ہے جب سیال کی viscosity بہت زیادہ ہو اور سیال کی رفتار کا میلان بہت بڑا ہو۔مسلسل بہاؤ، مسلسل مخصوص حرارت اور تھرمل چالکتا کی صورت میں، توانائی کی مساوات کو اس طرح تبدیل کیا جاتا ہے:
یہ بنیادی مساواتیں کارٹیشین کوآرڈینیٹ سسٹم میں لیمینر بہاؤ کے لیے حل ہوتی ہیں۔تاہم، بہت سے دیگر تکنیکی مسائل کی طرح، برقی مشینوں کا کام بنیادی طور پر ہنگامہ خیز بہاؤ سے وابستہ ہے۔لہٰذا، ان مساواتوں کو ٹربولنس ماڈلنگ کے لیے رینالڈز نیویئر اسٹوکس (RANS) اوسط طریقہ بنانے کے لیے تبدیل کیا گیا ہے۔
اس کام میں، متعلقہ حدود کے حالات کے ساتھ CFD ماڈلنگ کے لیے ANSYS FLUENT 2021 پروگرام کا انتخاب کیا گیا، جیسے کہ ماڈل پر غور کیا گیا: 100 کلو واٹ کی صلاحیت کے ساتھ ہوا کو ٹھنڈا کرنے والا ایک غیر مطابقت پذیر انجن، روٹر کا قطر 80.80 ملی میٹر، قطر اسٹیٹر کے 83.56 ملی میٹر (اندرونی) اور 190 ملی میٹر (بیرونی)، 1.38 ملی میٹر کا ہوا کا فرق، کل لمبائی 234 ملی میٹر، رقم، پسلیوں کی موٹائی 3 ملی میٹر۔.
SolidWorks ایئر کولڈ انجن ماڈل کو پھر ANSYS روانی اور نقلی میں درآمد کیا جاتا ہے۔اس کے علاوہ، حاصل کردہ نتائج کی جانچ پڑتال کی جاتی ہے تاکہ اس بات کو یقینی بنایا جا سکے کہ سمولیشن انجام دی گئی ہے۔اس کے علاوہ، ایک مربوط ایئر اور واٹر کولڈ IM کو SolidWorks 2017 سافٹ ویئر کا استعمال کرتے ہوئے ماڈل بنایا گیا تھا اور ANSYS Fluent 2021 سافٹ ویئر (شکل 4) کا استعمال کرتے ہوئے نقل کیا گیا تھا۔
اس ماڈل کا ڈیزائن اور طول و عرض سیمنز 1LA9 ایلومینیم سیریز سے متاثر ہیں اور اسے SolidWorks 2017 میں تیار کیا گیا ہے۔ سمولیشن سافٹ ویئر کی ضروریات کے مطابق ماڈل میں قدرے ترمیم کی گئی ہے۔ANSYS Workbench 2021 کے ساتھ ماڈلنگ کرتے وقت ناپسندیدہ پرزوں کو ہٹا کر، فلیٹس، چیمفرز، وغیرہ کو ہٹا کر CAD ماڈلز میں ترمیم کریں۔
ایک ڈیزائن کی جدت پانی کی جیکٹ ہے، جس کی لمبائی کا تعین پہلے ماڈل کے نقلی نتائج سے کیا گیا تھا۔ANSYS میں کمر کا استعمال کرتے وقت بہترین نتائج حاصل کرنے کے لیے واٹر جیکٹ سمولیشن میں کچھ تبدیلیاں کی گئی ہیں۔IM کے مختلف حصے انجیر میں دکھائے گئے ہیں۔5a–f
(ا)۔روٹر کور اور آئی ایم شافٹ۔(b) IM سٹیٹر کور۔(c) IM سٹیٹر وائنڈنگ۔(d) MI کا بیرونی فریم۔(e) IM واٹر جیکٹ۔f) ہوا اور پانی کے ٹھنڈے IM ماڈلز کا امتزاج۔
شافٹ ماونٹڈ پنکھا پنکھوں کی سطح پر 10 میٹر فی سیکنڈ اور درجہ حرارت 30 ڈگری سینٹی گریڈ کا مستقل ہوا کا بہاؤ فراہم کرتا ہے۔شرح کی قدر کا انتخاب اس مضمون میں تجزیہ کردہ بلڈ پریشر کی صلاحیت کے لحاظ سے تصادفی طور پر کیا جاتا ہے، جو کہ ادب میں بتائی گئی اس سے زیادہ ہے۔گرم زون میں روٹر، سٹیٹر، سٹیٹر وائنڈنگز اور روٹر کیج بارز شامل ہیں۔سٹیٹر اور روٹر کا مواد سٹیل ہے، وائنڈنگز اور کیج کی سلاخیں تانبے کی ہیں، فریم اور پسلیاں ایلومینیم ہیں۔ان علاقوں میں پیدا ہونے والی حرارت برقی مقناطیسی مظاہر کی وجہ سے ہوتی ہے، جیسے کہ جول ہیٹنگ جب کسی بیرونی کرنٹ کو تانبے کے کنڈلی سے گزارا جاتا ہے، نیز مقناطیسی میدان میں ہونے والی تبدیلیاں۔مختلف اجزاء کی گرمی کی رہائی کی شرح 100 kW IM کے لیے دستیاب مختلف لٹریچر سے لی گئی تھی۔
انٹیگریٹڈ ایئر کولڈ اور واٹر کولڈ آئی ایمز، مندرجہ بالا شرائط کے علاوہ، ایک واٹر جیکٹ بھی شامل ہے، جس میں پانی کے بہاؤ کی مختلف شرحوں (5 لیٹر/منٹ، 10 لیٹر/منٹ) کے لیے حرارت کی منتقلی کی صلاحیتوں اور پمپ پاور کی ضروریات کا تجزیہ کیا گیا تھا۔ اور 15 لیٹر/منٹ)۔اس والو کو کم از کم والو کے طور پر منتخب کیا گیا تھا، کیونکہ نتائج 5 L/منٹ سے کم بہاؤ کے لیے نمایاں طور پر تبدیل نہیں ہوئے تھے۔اس کے علاوہ، 15 L/min کی بہاؤ کی شرح کو زیادہ سے زیادہ قدر کے طور پر منتخب کیا گیا تھا، کیونکہ درجہ حرارت مسلسل گرنے کے باوجود پمپنگ پاور میں نمایاں اضافہ ہوا ہے۔
مختلف IM ماڈلز کو ANSYS Fluent میں درآمد کیا گیا اور ANSYS ڈیزائن ماڈلر کا استعمال کرتے ہوئے مزید ترمیم کی گئی۔مزید، انجن کے ارد گرد ہوا کی نقل و حرکت کا تجزیہ کرنے اور ماحول میں حرارت کے اخراج کا مطالعہ کرنے کے لیے AD کے ارد گرد 0.3 × 0.3 × 0.5 میٹر کے طول و عرض کے ساتھ ایک باکس کی شکل کا کیسنگ بنایا گیا تھا۔اسی طرح کے تجزیے مربوط ایئر اور واٹر کولڈ آئی ایم کے لیے کیے گئے تھے۔
IM ماڈل کو CFD اور FEM عددی طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے ماڈل بنایا گیا ہے۔حل تلاش کرنے کے لیے کسی ڈومین کو اجزاء کی ایک مخصوص تعداد میں تقسیم کرنے کے لیے CFD میں میشز بنائے جاتے ہیں۔مناسب عنصر کے سائز کے ساتھ ٹیٹراہیڈرل میشز انجن کے اجزاء کی عمومی پیچیدہ جیومیٹری کے لیے استعمال کی جاتی ہیں۔سطح کی حرارت کی منتقلی کے درست نتائج حاصل کرنے کے لیے تمام انٹرفیس 10 تہوں سے بھرے ہوئے تھے۔دو ایم آئی ماڈلز کی گرڈ جیومیٹری کو تصویر میں دکھایا گیا ہے۔6a، b.
توانائی کی مساوات آپ کو انجن کے مختلف علاقوں میں حرارت کی منتقلی کا مطالعہ کرنے کی اجازت دیتی ہے۔معیاری دیوار کے افعال کے ساتھ K-epsilon ٹربولنس ماڈل کا انتخاب بیرونی سطح کے ارد گرد ہنگامہ خیزی کو ماڈل کرنے کے لیے کیا گیا تھا۔ماڈل متحرک توانائی (ایک) اور ہنگامہ خیز کھپت (ایپسیلون) کو مدنظر رکھتا ہے۔کاپر، ایلومینیم، سٹیل، ہوا اور پانی کو ان کے متعلقہ ایپلی کیشنز میں استعمال کے لیے ان کی معیاری خصوصیات کے لیے منتخب کیا گیا تھا۔حرارت کی کھپت کی شرحیں (ٹیبل 2 دیکھیں) ان پٹ کے طور پر دی گئی ہیں، اور بیٹری کے مختلف زون کے حالات 15، 17، 28، 32 پر سیٹ کیے گئے ہیں۔ موٹر کیس کے اوپر ہوا کی رفتار دونوں موٹر ماڈلز کے لیے 10 m/s پر سیٹ کی گئی تھی، اور اس کے علاوہ، پانی کی جیکٹ کے لیے تین مختلف پانی کی شرحوں کو مدنظر رکھا گیا تھا (5 لیٹر/منٹ، 10 لیٹر/منٹ اور 15 لیٹر/منٹ)۔زیادہ درستگی کے لیے، تمام مساوات کے بقایا جات کو 1 × 10–6 کے برابر رکھا گیا تھا۔Navier Prime (NS) مساوات کو حل کرنے کے لیے SIMPLE (دباؤ کی مساوات کے لیے نیم مضمر طریقہ) الگورتھم کو منتخب کریں۔ہائبرڈ ابتداء مکمل ہونے کے بعد، سیٹ اپ 500 تکراریں چلائے گا، جیسا کہ شکل 7 میں دکھایا گیا ہے۔