内円筒回転時における 二重円筒管内流動の可視化計測2 r i 2 r o d 軸...
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内円筒回転時における二重円筒管内流動の可視化計測
○ 学 諸見里 嘉章 (筑波大学大学院)学 平野 覚 (筑波大学大学院/明電舎)正 金子 暁子 (筑波大)正 阿部 豊 (筑波大)
研究背景
断面図
電気自動車(EV) モータの駆動・回転中に渦電流・ジュール熱による熱が発生
モータ内部の熱・流動場を知ることが重要
熱を放出できるような対策が必要
永久磁石
(90～100℃)
コイル(110～120 ℃)
隙間：1.0 mm
N
NNN
S
S
S
S
S S
N
N
S
S
N
N
軸
ステータ
ロータモールド
EVモータの特徴
~テイラー渦が発生~
ロータ径 2ri = 218 mmステータ径 2ro = 220 mm隙間 d = 1 mmロータ長さ Li = 40 mmステータ長さ Lo = 100 mm
N. Abcha et al. (2008)
2ri = 80 mm2ro = 100 mm
d = 10 mmL = 459 mm
・ロータ径が大きい・ロータ長さが短い・ロータとステータ間隔が狭い・ロータ端部の空間が大きい
EVモータ形状 既存の二重管構造実験体系
Li
2ri
2ro
d軸
ステータ
ロータ ロータ端部
Lo
ro
ri
d
L
ω 内円筒外円筒
研究目的
• 流動可視化実験
– キャリオスコープ粒子による流動可視化
– PIV計測
EVモータ構造を模擬した内円筒が回転する
二重円筒管内の流動特性を可視化実験により調べる．
目的
EVモータ体系における放熱特性を知るためにはEVモータ形状における流動特性を明らかにする
必要がある．
実験装置の模擬条件
半径比 η = ri/ro ≒ 0.99アスペクト比 Γ = Li /d = 40
幾何学的パラメータ
流動パラメータ
実機形状
ν
ωdrRe i=
実機：空気
速度=60 km/h回転数 na = 3000 rpm Rea = 2264
レイノルズ数相似則
可視化実験装置：水
回転数nw ≒ 200 rpmRew = 2264
ω：ロータの角速度ν：動粘度
レイノルズ数
ri：ロータ半径ro：ステータ半径d ：隙間Li ：ロータ長さ
ri
ro
Li
d
ロータ
ステータ
実験装置
インバータ
ポンプ タンク
カバー(アクリル)
ロータ(アルミ)
ステータ(アクリル)
ウォータジャケット(アクリル)
水
モータ
写真図
実験装置の主要寸法と実験条件
の
Inverter
Cover(acrylic)
ロータ(アルミ)
ステータ(アクリル)
ウォータジャケット(アクリル)
Motor
Inverter回転数 n = 12～210 rpmレイノルズ数
2407~140==ν
ωdrRe i
2ri=
218
mm
Li = 40 mmLo = 100 mm
d=
1 m
m
ロータ 2ri = 218 mmステータ 2ro = 220 mm隙間 d = 1 mmロータ長さLi = 40 mmステータ長さLo = 100 mm半径比 η = ri/ro = 0.99アスペクト比 Γ = Li /d = 40
ロータ円筒面・ステータ端面の流動計測
作動流体：水可視化粒子：キャリオスコープ
(形状：6×30×0.07 μm 比重：0.96)
カメラ ライトライト
観測位置ライト
ライト
観測位置
カメラ
ロータ円筒面 ステータ端面
カメラ
1.5 Wレーザ
観測位置
・ロータ端面 (z = 42 mm)・中心位置 (z = 55 mm)・ステータ端面 (z = 68 mm)
ロータ端部
軸
軸方向(z)
ロータ端部の流動計測
可視化粒子シルバーコート粒子
(φ10 μm)
Li = 40 mm
Lo = 100 mm
ロータ円筒面の流動構造
Re = 479 (n = 42 rpm) Re = 679 (n = 59 rpm)
Re = 1141 (n = 100 rpm) Re = 2407 (n = 211 rpm)
40 mm
回転方向
時空間処理
1280 pixel
500
pixe
l
軸方向(z)
時間方向
(t)
画像処理
t [s]
z [mm]
0.8
40 70
時空間図
ロータ ロータ端部
ロータ
1280 pixel
回転方向
ロータ端部
800
pixe
l
1 pi
xel
原点
原点
ロータ円筒面の時空間図
Re = 479 (n = 42 rpm)
z [mm]70
t [s]
1.0
40
Re =679 (n = 59 rpm)
Re = 1141 (n = 100 rpm)
z [mm]70
t [s]1.0
40
z [mm]70
0.25
40
t [s] Re =2407 (n = 211 rpm)
z [mm]70
0.125
40
t [s]
ステータ端面の流動構造
Re = 140 (n = 12 rpm) Re = 546 (n = 48 rpm)
Re = 1465 (n = 128 rpm) Re = 2098 (n = 184 rpm)
220 mm 回転方向
流動比較~ロータ円筒面とステータ端面~ 1/2
Re = 140 (n = 12 rpm)
Re = 546 (n = 48 rpm)
220 mm
回転方向
40 mm
回転方向
流動比較~ロータ円筒面とステータ端面~ 2/2
Re = 812 (n = 71 rpm)
Re =2098 (n = 184 rpm)
220 mm40 mm
回転方向
回転方向
ロータ端部流動可視化
撮影速度：1000 fps再生速度：30 fps
ロータ端面流動可視化動画z = 42 mmRe = 1141回転数
n = 100 rpm
220 mm
平均速度ベクトル場~ Re =1141 z = 42 mm ~
・撮影条件撮影速度：1000 fps800×800 pixel・PIV処理条件平均枚数：2000枚窓関数：48×48 pixel空間分解能：0.284 mm
回転方向(θ)
半径方向 (r)
重力方向
220 mm
MAX：400 mm/s
MIN：0 mm/s
回転数 n = 100 rpm
平均速度ベクトル場~ Re =1141 z = 55 mm ~
回転方向(θ)
重力方向
半径方向 (r)
・撮影条件撮影速度：1000 fps800×800 pixel・PIV処理条件平均枚数：2000枚窓関数：48×48 pixel空間分解能：0.284 mm
MAX：400 mm/s
MIN：0 mm/s
回転数 n = 100 rpm
220 mm
平均速度ベクトル場~ Re =1141 z = 68 mm ~
回転方向(θ)
半径方向 (r)
重力方向
・撮影条件撮影速度：1000 fps800×800 pixel・PIV処理条件平均枚数：2000枚窓関数：48×48 pixel空間分解能：0.284 mm
MAX：400 mm/s
MIN：0 mm/s
回転数 n = 100 rpm
220 mm
300
200
100
0
Rot
atio
nal V
eloc
ity V
θ [m
m/s
]
1007550250Radial direction r [mm]
'θ = 45° ' 'θ = 90° ' 'θ = 135° ' 'LDV θ = 180° '
回転方向平均流速分布
z = 68 mm
z = 42 mm z = 55 mm
300
200
100
0
Rot
atio
nal V
eloc
ity V
θ [m
m/s
]
1007550250Radial direction r [mm]
'θ = 45° ' 'θ = 90° ' 'θ = 135° '
300
200
100
0
Rot
atio
nal V
eloc
ity V
θ [m
m/s
]
1007550250Radial direction r [mm]
'θ = 45° ' 'θ = 90° ' 'θ = 135° '
Radial direction r [mm]
Radial direction r [mm]Radial direction r [mm]
Rot
atio
nal V
eloc
ity V
θ[m
m/s
]
Rot
atio
nal V
eloc
ity V
θ[m
m/s
]R
otat
iona
l Vel
ocity
Vθ
[mm
/s]
rVr
Vθ
z
ステータ ロータロータ端部
Re =1141 (n = 100 rpm)
半径方向平均流速分布
z = 68 mm
z = 42 mm z = 55 mm
40
30
20
10
0
-10
Rad
ial V
eloc
ity V
r [m
m/s
]
1007550250Radial direction r [mm]
'θ = 45° ' 'θ = 90°' 'θ = 135°'
40
30
20
10
0
-10
Rad
ial V
eloc
ity V
r [m
m/s
]
1007550250Radial direction r [mm]
'θ = 45° ' 'θ = 90°' 'θ = 135°'
40
30
20
10
0
-10
Rad
ial V
eloc
ity V
r [m
m/s
]
1007550250Radial direction r [mm]
'θ = 45° ' 'θ = 90°' 'θ = 135°'
Radial direction r [mm]
Radial direction r [mm]Radial direction r [mm]Rad
ial V
eloc
ity V
r[m
m/s
]
Rad
ial V
eloc
ity V
r[m
m/s
]
rVr
Vθ
z
ステータ ロータロータ端部
Rad
ial V
eloc
ity V
r[m
m/s
]
Re =1141 (n = 100 rpm)