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探析数控加工中心电动机散热温度场的数值模拟

发布时间: 2019-05-07 10:38文字数: 3603字

  摘要: 电机作为数控机床的核心部件,其性能影响着机床主轴系统的精度、电机效率和使用寿命.因此,合理设计高速电机的结构使其处于最佳的温度场,了解电机在运行过程中各空气区域内的速度及温度分布非常重要.本文以某机床的电机定转子作为研究对象,利用CFD 软件对转子通风道的设计方案进行数值模拟,通过数值模拟分析电机内部的流场温度场及流场分布.根据模拟结果进行优化设计,在转子和定子之间进行单排孔和双排孔的优化方案设计,通过温度分布确定最佳设计方案,为电机转子通风道的散热优化设计提供有意义的参考.

  关键词: 机床电机;定转子;速度场;温度场;数值模拟

  随着科学技术的进步以及制造业的发展,数控机床作为制造业的基础得到了广泛的应用.就机床的核心部件高速电机而言,它的额定转速、振动、噪声、温升等对机床的整体加工性能都具有不可忽视的是一个多学科交叉的过程,其中包括内部流动状态的流体力学、温度变化的传热学以及设计本身的电机学等,因此对电机的全面研究具有较大的难度.

  就目前研究而言,电机在高转速下所带来的温升就是一个设计难点,机床内部的电机高温下额定转速会受到影响,结构部件在高温情况下的热应力也会产生一定的变形,这些因素还会影响主轴系统其他零部件在运行过程中产生精度偏差,导致非常严重的后果.由此可知,对电机进行合理的设计,避免温升带来的负面影响也是保证机床正常运行的必要因素之一.但是电机本身的结构复杂多样性导致了腔内流体的流动状态的复杂性,对内部空气流场温度场的计算具有较大的困难 .随着计算流体力学和计算机能力的提升,数值模拟技术在电机设计过程中起到了重要的作用.国内外研究学者对电机进行了设计模拟仿真,对电机的迅速发展起到了相当大的推动作用.其中浙江大学利用有限元对机床的主轴进行了热力学和动力学分析,建立了摩擦发热理论 .Wu 等用有限元方法对丝杠的温度以及带来的热变形进行了分析,在解决机床一些由于热效应产生的精度问题方面起到了指导作用.虽然对机床一些部件的热分析已经进行了广泛的研究,但是针对机床电机热管理方面的研究还比较少 .

河南快三   本文以某高速机床电机的定转子为研究对象,利用计算流体力学软件 FLUENT 14.0,采用有限体积法,对转子通风道原始设计进行了数值模拟,并根据结果进行了不同方案的优化,得到电机内部的速度分布和温度分布情况,并根据温升效果确定最后的优化方案.通过对优化前和优化后的不同改进,决定最佳的改进方案,得出的结论对电机转子通风优化设计具有实际指导意义.

河南快三   1 电机的数值模拟概述

  1.1 几何及物理模型

河南快三   电机的形状和内部结构比较复杂,但在数值计算中主要反映总体结构的特性,为此对电机结构模型进行简化是必要的,计算时忽略了对模拟结果影响较小的结构,简化模型及具体尺寸如图1 和图2 所示.机床电机采用内部循环的冷却方式,主要通过电机转子高速转动带动底部风扇转动导致内部空气循环,和定子外壁面的水冷系统进行换热,进而产生空气对流进行对电机内部散热,以达到冷却的效果,气体流动示意图如图 1 红色虚线所示.图 1 电机尺寸及流动模型示意图 图 2 电机整体定转子模型Fig.1 Motor size and flow model diagram Fig.2 Model of the Machine tool motor geometry

  1.2 控制方程

河南快三   电机连续运行时处于稳定状态,且由于电机转子转速较高,带动底部叶轮高速旋转使得周围空气区域进行流动换热,根据雷诺数公式Re = rvd / m 计算可得雷诺数约为 4×106(其中空气密度为 1.225 kg/m3, d 为 1.3 m,v 约为 45 m/s,μ 为 1.7894′10-5 kg/m·s),因此该流动状态为湍流,本文湍流模型采用 Realizable

  其中, grad() = ?() ?x +?() ?y +?() ?z , Su 、 Sv 和 Sw 为动量守恒的广义源项, r, u, m, p 分别为流体的密度、速度矢量、动力粘度和流体微元体上的压力.

河南快三   其中, r,T 分别为气体密度和温度, cp 是比热容; k 为流体的传热系数; ST 为流体的内热源.

河南快三   其中Gk 表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生, 流脉动膨胀对总的耗散率的影响.

  1.3 网格、边界条件及数值方法

河南快三   Gb 是用于浮力影响引起的湍动能,

  YM 表示可压速湍

  本模型采用 ICEM CFD 生成四面体和六面体结构来对电机定、转子的不同计算区域做网格划分,整个模型分为定子静止区域和转子旋转区域,不同流场网格以 Interface 相搭接进行数据传输.定子区域单元数量分别为 172 万四面体网格,转子区域及定转子间隙网格数量分别为 139 万四面体网格和 101 万六

河南快三   面体网格,计算区域单元总量约为 418 万,具体网格模型如图 3 所示.

河南快三   图 3 电机整体及部分模型网格

河南快三   采用计算流体力学软件 FLUENT 14.0 针对不同区域的不同状态分别进行流体区域设定,对静止区域的壁面设定为固定无滑移边界,运动区域的壁面条件设定为和旋转流体区域同速转动;定转子间隙外侧给定热源温度 393 K;定子外壁面有水冷系统,按恒温处理设定为 300 K;转子运动区域采用 MRF 进行计算,转速为 410 RPM.

河南快三   压力和速度耦合算法采用 SIMPLIC,动量、湍流分量和能量方程采用二阶迎风空间离散,压力插值采用标准格式,能量方程的残差收敛准则为 1′10-6,其它方程的残差收敛准则为 1′10-4.

河南快三   2 计算结果及分析

  从图 4 和图 5 所示的定转子间隙内速度分布云图可以看出,由于结构的对称性导致整体流动状态呈现周期性变化.间隙内的流动速度比较复杂,底部主要是由于间隙内气体在自转的同时受到底部气体向上流动以及槽内气体向间隙内流动,对周向运动的冲击使得速度发生改变;顶部由于气体从中间流入腔体内发生温度交换.

  图 4 定转子间隙内速度分布云图 图 5 电机腔体截面速度分布图

河南快三   通过温度分布图 6 和图 7 可以看出,间隙内的温度也呈现周期性变化,主要高温场分布在槽与槽之间,高温区域所占比例较大,温度由外壁面向内部逐渐降低,底部和顶部受到气体流动的作用改变了温度场的分布.

河南快三   图 6 定转子间隙内温度分布云图 图 7 电机腔体截面温度分布图

  3 优化方案及结果分析

河南快三   通过对电机的结构模拟可以看出,电机发热区域主要集中在定子和转子的间隙处,在间隙槽与槽之间存在着较大的高温区域,并且缝隙处的空气不流通导致散热性较差,这在电机的运转过程中产生着严重的影响.

河南快三   从速度和温度云图可以看出,间隙和转子内速度分布、压力分布存在着差别,在径向设置孔将会改变两侧的流场,空气在两侧的流通会对散热有一定的效果.因此在不影响磁场的情况下提出两种改进方案:

  (1) 对转子内部和间隙上下端设置双排孔,单排个数为 16′f 25 mm,双排共 32′f 25 mm,结构如图8 所示.

河南快三   (2) 对转子内部和间隙下端设置单排排孔,单排个数为 16′f 25 mm,结构如图 9 所示.

河南快三   图 8 定转子双排通风孔内部转动区域几何模型 图 9 定转子单排通风孔内部转动区域几何模型两种方案的边界条件按照没有开孔的条件进行设置,通过中截面云图分布可以看出,对转子打孔以后整体上速度场和温度场有了变化,尤其在管道处各参量分布大小有了较大的改变.通过速度分布图 10

河南快三   至 11 可以看出,打孔后的中截面间隙的速度要比之前的高出 3 m/s,双排的气体从两个气孔中流入间隙, 在相交处速度最大,下单排最大速度发生区域和双排的一样,都是在管道和间隙相交处最大,速度从相交处向两端降低.单双排的流速都是向上螺旋旋转流动,因此不会产生流动阻碍现象,容易进行换热.

  通过温度分布图 12 至 13 可以看出,在对转子设置孔以后整体温度分布较之前没有设置孔时有了较大改善.双排孔的效果最为明显.温度最高区域主要分布在槽与槽之间,相对区域比没有打孔的区域少了很多,主要是空气从孔中流出对间隙内的气体进行了换热,从而导致孔周围温度降低.双排打孔散热效果优于仅在下端打孔,两端散热效果较好,因此建议选择两端开口进行结构改进.

  4 结论

河南快三   本文计算了机床电机在额定运行下的流场分布状况,从电机内部腔体改进方案的数值计算结果来看,可以得出如下结论

河南快三   (1) 电机内温度场的求解是非常必要的,通过计算流体力学软件对电机温度场的模拟可以清楚地看到电机内部温度分布的状况,从而采取相应的冷却措施散热.

河南快三   (2) 对转子原有结构设置孔进行散热改进,使得温度有了明显变化,在定子上开孔的结构优化对散热有明显的效果.

河南快三   (3) 双排设置孔的散热效果较好,相比单排设置孔散热区域较大,使得在孔和槽附近有较大的低温区域,可达到降温效果.

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