Στις ηλεκτρικές μηχανές η θερμική ανάλυση είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, διότι η θέρμανση μίας μηχανής είναι αυτή που τελικά οριοθετεί την ονομαστική ισχύ της. Ακριβής θερμική μοντελοποίηση της μηχανής απαιτείται για την επίτευξη υψηλής απόδοσης, την ορθή σχεδίαση, την επιλογή των υλικών και του τρόπου ψύξης και τη βελτιστοποίηση κόστους. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των απωλειών, ο υπολογισμός της παραγόμενης θερμότητας και η εύρεση της κατανομής θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. / Thermal analysis of electrical machines is as important as electromagnetic analysis, since the machine heating actually determines the nominal power of the machine. Accurate thermal modelling is necessary in order to achieve high performance, proper design, cost optimization and selection of the most suitable materials and cooling method. The goal of this project is the study of power losses and the calculation of the produced heat and temperature distribution inside an induction motor, which operates at steady state, using the finite element method.

- / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελείται από δυο μέρη. Στο πρώτο μέρος πραγματοποιήθηκε μεταβατική θερμική ανάλυση σε μια υγιή μηχανή και σε μια μηχανή με σπασμένη μπάρα και ακολούθησε σύγκριση των αποτελεσμάτων των δυο αναλύσεων. Στο δεύτερο μέρος έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων μιας μεταβατικής θερμικής ανάλυσης υγιούς μηχανής με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. / Transient thermal analysis for healthy asychronous motor and for motor with broken bar to the motor.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε μια αναλυτική αναφορά στα διάφορα θερμικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα μέσα στον κινητήρα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του. Προσομοιώθηκε ένας ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα σε περίπτωση υγιούς κατάστασης λειτουργίας και σε περίπτωση σφάλματος μιας σπασμένης μπάρας του δρομέα. Επίσης πάρθηκαν μετρήσεις από αισθητήρες θερμοκρασίας που τοποθετήθηκαν στο στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Η ασύγχρονη μηχανή αποσυναρμολογήθηκε και τοποθετήθηκε νέο τύλιγμα στο στάτη αφού αφαιρέθηκε το αρχικό εργοστασιακό. Αυτό έγινε για μπορέσουμε να τοποθετήσουμε αισθητήρες (θερμοστοιχεία) στο νέο τύλιγμα για να διαπιστώσουμε με πειραματικό τρόπο την θερμοκρασιακή κατανομή του στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Στη συνέχεια επιχειρήθηκε η θερμική ανάλυση στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του ασύγχρονου κινητήρα σε περίπτωση υγιούς κατάστασης και σε περίπτωση μιας σπασμένης μπάρας του δρομέα. Η θερμική ανάλυση έγινε μέσω της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων, σε δισδιάστατη γεωμετρία, μέθοδος η οποία είναι πολύ ακριβής με λεπτομερειακά αποτελέσματα. Με τη μέθοδο αυτή αναλύονται με μαθηματικές εξισώσεις το φαινόμενο της μετάδοσης θερμότητας χρησιμοποιώντας κατάλληλες οριακές συνθήκες, η γεωμετρία και τα θερμικά χαρακτηριστικά των υλικών, οι πηγές θερμότητας και, αφού το πρόγραμμα επεξεργάζεται τα δεδομένα, καταλήγει στην κατανομή της θερμοκρασίας με μεγάλη ακρίβεια. Για να γίνει η ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία χρειάστηκε να επιλυθούν διαφορικές εξισώσεις με μερικές παραγώγους προκειμένου να καταλήξουμε στο αποτέλεσμα. Τέλος τα αποτέλεσμα της θερμικής ανάλυσης μέσω της εξομοίωσης συγκρίνονται με αυτά της πειραματικής και διαπιστώνεται η συμφωνία της πειραματικής και της θεωρητικής προσέγγισης του θερμικού προβλήματος της μηχανής. / Thermal analysis of elecrical rotors.

Η θερμική ανάλυση είναι μια σημαντική περιοχή μελέτης και γίνεται περισσότερο σημαντική για την σχεδίαση ηλεκτρικών μηχανών εξαιτίας της ανάγκης για μείωση του όγκου των υλικών και του κόστους κατασκευής τους καθώς και για την αύξηση της απόδοσής τους. Είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση μιας και η θέρμανση της μηχανής θα οριοθετήσει την ονομαστική της ισχύ καθώς και την διάρκεια ζωής της μόνωσης. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση της κατανομής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των συγκεντρωμένων παραμέτρων. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται βασικές έννοιες της θερμοδυναμικής. Γίνεται αναφορά σε διάφορους συντελεστές, παρουσιάζονται οι θερμοδυναμικοί νόμοι και γίνεται σύντομη αναφορά στους μηχανισμούς μετάδοσης θερμότητας. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνεται η αναλυτική περιγραφή των μηχανισμών μετάδοσης θερμότητας και παρουσιάζεται ένα απλό δίκτυο μοντελοποίησης με ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται σύντομα η δομή, η αρχή λειτουργίας και οι τύποι μιας ασύγχρονης μηχανής. Εδώ επίσης αναφέρονται και οι διάφορες μορφές απωλειών ενέργειας κατά την λειτουργία μιας τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Παρουσιάζεται ακόμη ο υπό μελέτη κινητήρας και αναφέρονται τα θερμοστοιχεία που χρησιμοποιούνται στην πειραματική διαδικασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος θερμικής ανάλυσης με χρήση ισοδυνάμου κυκλώματος θερμικών αντιστάσεων για την μόνιμη κατάσταση. Στη συνέχεια δίνεται το προτεινόμενο κύκλωμα και παρουσιάζονται αναλυτικά οι ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις του μοντέλου. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης, γίνεται σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα θερμοκρασιακών τιμών που πάρθηκαν από τα θερμοστοιχεία και ακολουθεί η διαδικασία της παραμετροποίησης στους διάφορους συντελεστές που χρησιμοποιήθηκαν είτε υπολογίστηκαν κατά την ανάλυση. / Thermal analysis is an important design area and becoming more important part of the electric motor design process due to the push for reduced weights and costs and increased efficiency. Thermal analysis is of equal importance as the electromagnetic design of the machine, because the temperature rise of the machine eventually determines the maximum output power. The purpose of this study is to record the temperature distribution of the internal parts of an induction motor at steady state using an equivalent thermal circuit with lumped parameters. The first chapter is an introduction of the thermodynamic theory. The laws of thermodynamics are described and there is a brief report of heat transfer mechanisms. The second chapter describes analytically the heat transfer mechanisms. Also, an example of modelling using thermal equivalent resistances is given. The third chapter introduces shortly the operational principles of an induction machine. Here are also referred the various losses that occur during the rotation of an induction motor. The studied induction motor, with the modified stator winding to include thermocouples, is shown. The fourth chapter introduces the method of thermal analysis using thermal equivalent circuit with lumped parameters. The proposed model is given and its components are described in particular. At last, in the fifth chapter the results of temperature distribution are given and compared with experimental data of temperature values that are acquired using the thermocouples. Here also takes apart the parameterising of the various coefficients that were used or calculated during this study.