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        電主軸電機(jī)的溫度場(chǎng)建模研究

        2019-11-30 12:35:50劉建平畢根鳳
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2019年19期

        劉建平 畢根鳳

        摘? ?要:內(nèi)置電機(jī)的發(fā)熱是電主軸的主要內(nèi)部熱源之一,內(nèi)部溫度較難獲取,溫度場(chǎng)復(fù)雜,本文基于電主軸內(nèi)置電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳熱學(xué)理論,考慮到冷卻系統(tǒng)對(duì)內(nèi)置電機(jī)的散熱影響,分析并簡(jiǎn)化了內(nèi)置電機(jī)的熱邊界條件,提出了穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析方法,基于熱阻網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建了電主軸電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。內(nèi)置電機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立簡(jiǎn)化了復(fù)雜的溫度場(chǎng)求解問(wèn)題,對(duì)于獲得電主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布及主軸使用性能等工程問(wèn)題有著重要的理論指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:電主軸? 內(nèi)置電機(jī)? 熱阻網(wǎng)絡(luò)? 溫度場(chǎng)? 仿真分析

        中圖分類號(hào):TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào):1674-098X(2019)07(a)-0117-02

        1? 緒論

        高速機(jī)床的主軸是由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的,從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零,實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸的“零傳動(dòng)”[1]。電機(jī)和軸承是電主軸系統(tǒng)的兩大主要內(nèi)熱源,內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱對(duì)電主軸的溫升有很大影響,如果不加以控制,由此引起的熱變形會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)床的加工精度和軸承使用壽命,從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。電主軸由于采用內(nèi)藏式主軸結(jié)構(gòu)形式,位于主軸單元體中的電機(jī)不能采用風(fēng)扇散熱,因此自然散熱條件較差。電機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中,內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗,從而使電機(jī)發(fā)熱。對(duì)電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對(duì)電機(jī)定子采用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)行強(qiáng)制冷卻。

        2? 電主軸內(nèi)置電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)建模

        為了簡(jiǎn)化電主軸內(nèi)置電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算,作如下簡(jiǎn)化:

        (1)內(nèi)置電機(jī)部分屬于一維導(dǎo)熱,忽略端部效應(yīng);

        (2)內(nèi)置電機(jī)視為內(nèi)熱源,且發(fā)熱均勻;

        (3)主軸各個(gè)部件為常物性,且接觸良好;

        (4)內(nèi)熱源產(chǎn)生的全部熱由冷卻介質(zhì)帶走。

        將內(nèi)置電機(jī)視為整體,分析計(jì)算電機(jī)—水道壁—流體介質(zhì)的導(dǎo)熱過(guò)程及溫度場(chǎng)分布,圖1形象地表述了電機(jī)—水道壁—流體介質(zhì)之間的熱流及熱阻情況,基于熱阻網(wǎng)絡(luò)模型展示了電主軸內(nèi)置電機(jī)的物理導(dǎo)熱過(guò)程。

        3? 電主軸內(nèi)置電機(jī)溫度場(chǎng)仿真分析

        若系統(tǒng)的凈流為零,即流入的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量[6]:,則系統(tǒng)熱穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程以矩陣形式,見(jiàn)式(4):

        式中:[K]為熱傳導(dǎo)矩陣,包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù);{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量;{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量。

        ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件,生成[K]{T}及{Q}。

        穩(wěn)態(tài)分析基于熱傳導(dǎo)方程,不考慮任何時(shí)間相關(guān)的瞬態(tài)效應(yīng)。載荷和約束包括熱生成、熱通量、熱流率、對(duì)流及輻射?;陔娭鬏S整體結(jié)構(gòu)特征,本文將其視為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子、軸承部分均可當(dāng)作厚壁圓筒,定子冷卻套上的冷卻水道壁可當(dāng)作薄壁圓筒,螺旋槽可等效為圓環(huán)形。

        電主軸內(nèi)置電機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中,內(nèi)部功率損耗,從而使電機(jī)產(chǎn)生大量的熱。本文中對(duì)電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對(duì)電機(jī)外圈采用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)行強(qiáng)制冷卻。建立正確的有限元模型是進(jìn)行熱態(tài)分析的基礎(chǔ),基于電主軸內(nèi)置電機(jī)及冷卻水道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),簡(jiǎn)化幾何結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)圓環(huán),對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        添加材料屬性,對(duì)于熱穩(wěn)態(tài)分析,物體的導(dǎo)熱系數(shù)是關(guān)鍵參數(shù),設(shè)置邊界條件進(jìn)行ansys仿真分析,驗(yàn)證電主軸內(nèi)置電機(jī)理論模型的正確性。通過(guò)仿真分析得到如圖1所示的電機(jī)溫度場(chǎng)分布,輸入冷卻水道水溫值為15℃,當(dāng)電主軸處于熱穩(wěn)態(tài)時(shí),此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子最高溫度為32.524℃,內(nèi)置電機(jī)定子與冷卻道接觸部位的溫度約為24.587℃,電機(jī)冷卻道壁與冷卻介質(zhì)接觸部位的溫度為:23.595℃與理論模型分析結(jié)果對(duì)比,誤差為3%左右,可見(jiàn)仿真分析進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的理論正確性。

        4? 結(jié)語(yǔ)

        (1)內(nèi)置電機(jī)的發(fā)熱是電主軸的主要內(nèi)部熱源之一,基于電主軸內(nèi)置電機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,得到電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)轉(zhuǎn)子溫升最大。

        (2)冷卻系統(tǒng)是內(nèi)置電機(jī)的主要散熱系統(tǒng),電主軸冷卻系統(tǒng)給定不同溫度的介質(zhì),將得到穩(wěn)態(tài)下電機(jī)徑向各處溫度值。

        (3)通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了文中簡(jiǎn)化模型的正確性,仿真結(jié)果與理論模型分析結(jié)果誤差為3%左右,為對(duì)于獲得電主軸內(nèi)置電機(jī)系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布及電主軸熱態(tài)使用性能等工程問(wèn)題有著重要的理論指導(dǎo)意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張柏霖,張志潤(rùn),肖曙紅.超高速加工與機(jī)床的零傳動(dòng)[J].中國(guó)機(jī)械工程,1996,7(5):37-41.

        [2] 黃曉明.高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析[D].廣東工業(yè)大學(xué),2003.

        [3] 王澤鵬,張秀輝,胡仁喜,等.ANSYS 12.0熱力學(xué)有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

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