車削用電主軸永磁同步電機(jī)電磁與熱特性的研究（下）
2017-2-10 來源：沈陽工業(yè)大學(xué) 作者：閆佳寧
第 5 章 車削用電主軸永磁同步電機(jī)的溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析
本課題所設(shè)計(jì)的 28k W 車削用永磁同步電主軸電機(jī)的電磁負(fù)荷、功率密度都設(shè)計(jì)較高，且由于電主軸電機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)采用弱磁控制，注入的弱磁電流會(huì)使得電機(jī)的銅耗急劇增大，從而引起溫度升高，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電機(jī)的絕緣材料。故本章采用上一章已驗(yàn)證的方法對(duì)所設(shè)計(jì)的車削用電主軸電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算分析。
5.1 水冷結(jié)構(gòu)的選擇
水冷系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上的分類如圖 5.1 所示，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：
（1）流體接觸面積盡量大；
（2）管道表面光滑，流體流動(dòng)過程中沿程阻力小；
（3）流體斷面形狀規(guī)則統(tǒng)一，彎頭要少，以減少局部阻力；
（4）流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)足夠大，使熱交換充分；
（5）使用環(huán)境安全、穩(wěn)定并且維護(hù)方便。
圖 5.1 水冷系統(tǒng)的分類
端蓋通水的冷卻系統(tǒng)雖然效果明顯，但解決水道轉(zhuǎn)動(dòng)密閉問題的技術(shù)含量較高，不易實(shí)現(xiàn)；機(jī)殼端蓋組合的水冷結(jié)構(gòu)和機(jī)殼、端蓋與軸三者組合的水冷結(jié)構(gòu)在冷卻效果上略優(yōu)于單獨(dú)機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)，但這兩種結(jié)合的結(jié)構(gòu)在工藝制造上相對(duì)比較困難；機(jī)殼水冷具有生產(chǎn)工藝簡單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以選用機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)。
圖 5.2 水冷結(jié)構(gòu)圖
機(jī)殼冷卻結(jié)構(gòu)又可分為螺旋結(jié)構(gòu)、多并聯(lián)結(jié)構(gòu)和軸向 Z 型水路結(jié)構(gòu)，如圖 5.2 所示。這三種水路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)如表 5.1[57]中所示。
表 5.1 三種水冷結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
根據(jù)上面的介紹，考慮車削用電主軸電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用環(huán)境，參考西門子 1FE1 系列電主軸的結(jié)構(gòu)，最終選用螺旋結(jié)構(gòu)的水道。
5.2 車削電主軸電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算前處理
（1）電主軸電機(jī)模型及邊界條件
車削電主軸電機(jī)的電磁方案已由第 2 章確定，依據(jù)上一章的建模和等效方法，計(jì)算得到電主軸電機(jī)的定子繞組等效槽絕緣厚度為 0.9mm。參考 1FE1 系列電主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行適當(dāng)簡化，舍去不影響溫度場(chǎng)分析的編碼器等結(jié)構(gòu)，建立電主軸電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)模型如圖 5.3。其中，綜合衡量電機(jī)尺寸及所需的散熱量，確定機(jī)殼上所開水道數(shù)量為 9 個(gè)，水道寬度為 6.5mm，高度為 15mm。
圖 5.3 1FE1 系列電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
考慮電機(jī)圓周方向?qū)ΨQ性，建立電主軸電機(jī)的 1/6 結(jié)構(gòu)模型與邊界條件如圖 5.4 所示，其中 S1 為散熱面 WALL，需要設(shè)置散熱系數(shù)，S2 為絕熱面 WALL，9 個(gè)水道截面為速度入口 S3，與之對(duì)應(yīng)的是壓力出口（圖中被擋住而未指出），其余一類面 S4 為傳熱面 INTERFACE。
圖 5.4 簡化后電主軸電機(jī)模型及邊界條件
（2）電主軸電機(jī)的剖分
依然采用前處理軟件 Gambit 對(duì)模型進(jìn)行剖分，在流體與溫度場(chǎng)計(jì)算中，網(wǎng)格劃分是基本功。鑒于求解過程對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求非常高，應(yīng)盡量剖分為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，并進(jìn)行失真度檢查，失真度越小越好，盡量不超過 0.75，否則剖分效果不佳會(huì)使得計(jì)算無法收斂。按照表 5.2 的剖分尺寸進(jìn)行剖分，得到電機(jī)剖分圖如圖 5.5 所示，檢查最大失真度為機(jī)殼處 0.63，其余部分更小，剖分效果良好。
表 5.2 28k W 電主軸電機(jī)各部位剖分尺寸表
圖 5.5 電機(jī)的剖分圖
除此之外，還要一并設(shè)置面邊界條件并進(jìn)行體命名，方便在后續(xù) Fluent 中根據(jù)已命名的名稱進(jìn)行查找與設(shè)置，完成上述過程后，輸出.mesh 文件。
5.3 車削電主軸電機(jī)額定時(shí)的溫度場(chǎng)分析
在Fluent中計(jì)算電機(jī)溫度場(chǎng)的過程如圖5.6所示，需要通過電磁場(chǎng)分析或?qū)嶒?yàn)得到電機(jī)各部位的損耗，采用前處理軟件對(duì)模型進(jìn)行剖分和名稱定義后，在Fluent中進(jìn)行設(shè)置再開始熱計(jì)算。依據(jù)上一章介紹的方法，此小節(jié)僅對(duì)所求得的電主軸電機(jī)的不同結(jié)果進(jìn)行闡述，相同部分不再重復(fù)說明。
圖 5.6 溫度場(chǎng)計(jì)算過程
5.3.1 電主軸電機(jī)的傳熱系數(shù)、初始條件及熱源分布
（1）傳熱系數(shù)
依據(jù) 4.4.1~4.4.3 節(jié)求得的參數(shù)如表 5.3 所示，其中電機(jī)尺寸不同轉(zhuǎn)速不同，計(jì)算得到不同的氣隙傳熱系數(shù)；電主軸電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心疊壓系數(shù)為 0.97 有所提高，故軸向傳熱系數(shù)也增大；等效槽絕緣的傳熱系數(shù)經(jīng)計(jì)算為 0.11W/(m?K)；所用永磁體的導(dǎo)熱系數(shù)為 8W/(m?K)；軸承采用陶瓷球軸承，導(dǎo)熱系數(shù)為 32W/(m?K)；其余材料與表 4.3 相同。
表 5.3 電主軸電機(jī)各部分材料和導(dǎo)熱系數(shù)
1）給定環(huán)境溫度為 20℃（293K）。
2）給定速度入口 VELCITY_INLET，速度大小分析如下。使水冷系統(tǒng)內(nèi)的流體處于湍流狀態(tài)才能保證水冷散熱的高效性，由公式（4.10）計(jì)算可得電主軸電機(jī)的水力直徑為 9.07×10-3m。本課題以雷諾數(shù) 2300 區(qū)分層流與湍流，要使速度要滿足湍流狀態(tài)，則通過公式（4.11）可求得水速要大于等于 0.20m/s。則由公式（4.12）可知，不同水速對(duì)應(yīng)不同湍流強(qiáng)度，當(dāng)水速為 0.2m/s 時(shí)，湍流強(qiáng)度為 6%。
3）給定壓力出口 PRESSURE_OUTLET，零相對(duì)壓力，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 101325Pa。
（3）熱源分布
在第 3 章中已經(jīng)求得了在所采用的弱磁控制方案下的損耗，定子鐵耗分別加載到齒部和軛部上，機(jī)械損耗加載到軸承上，銅耗加載到繞組上，可以看到永磁體渦流損耗和轉(zhuǎn)子鐵耗的數(shù)值非常小，換算成生熱率后與前幾項(xiàng)損耗甚至不在同一數(shù)量級(jí)上，弱磁時(shí)求得各部分的生熱率如表中所示。
表 5.4 電機(jī)各部分的損耗值和生熱率
5.3.2 冷卻水流速與電主軸電機(jī)溫升關(guān)系研究
已求得使冷卻水處于湍流狀態(tài)的最小水速為 0.2m/s，圖 5.7 為水速分別為 0.2m/s，0.5m/s，1m/s 下的水、機(jī)殼、水套的溫度分布情況。
圖 5.7 電機(jī)定子溫度分布圖
從圖 5.7 可以看到，當(dāng)水速為 0.2m/s 時(shí)，最高溫升為 14.9K，機(jī)殼與水套的溫度均有所上升，說明此時(shí)冷卻水速度不足，冷卻不夠徹底，溫度仍有下降空間。從 0.2m/s起逐漸增加水速，當(dāng)水速為 0.5m/s，1m/s 時(shí)明顯看出隨著水速的增加，水套的最高溫升有所下降，說明提高水速能夠增強(qiáng)冷卻效果。由第 4 章的分析并比較電主軸電機(jī)的熱源分布情況，可知最熱點(diǎn)出現(xiàn)在繞組端部。為了尋找最佳水速，繪制電主軸電機(jī)的最高溫升與冷卻水流速關(guān)系如圖 5.8 所示。當(dāng)水速超過 2.5m/s 時(shí)，即使再增大水速最高溫升下降也并不明顯，故此電主軸電機(jī)的最佳水速（飽和水速）為
2.5m/s。
圖 5.8 水速與電機(jī)最高溫升關(guān)系
5.4 車削電主軸電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分析
5.4.1 電主軸電機(jī)弱磁時(shí)的溫度場(chǎng)分布
電主軸電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)處于去磁狀態(tài)，定子磁通減少，弱磁電流的注入使得繞組銅耗急劇增大，因此為了避免弱磁運(yùn)行時(shí)溫升超過規(guī)定限度而損壞絕緣，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析尤為重要。表 5.5 為弱磁情況下各部分損耗值及對(duì)應(yīng)的生熱率。
表 5.5 弱磁時(shí)損耗和生熱率
在最佳水速2.5m/s，電主軸電機(jī)弱磁時(shí)繞組及等效槽絕緣的溫度分布如圖5.9所示。可以看出端部下層的最高溫度為 474.7K，溫升更是達(dá)到 181.7K，這會(huì)嚴(yán)重破壞絕緣，故考慮采用導(dǎo)熱系數(shù)更高的絕緣材料。
圖 5.9 最佳水速時(shí)繞組溫度分布
5.4.2 高導(dǎo)熱槽絕緣材料對(duì)溫升的影響
上小節(jié)溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，等效槽絕緣的傳熱系數(shù)為 0.11W/(m?K)，繞組和槽絕緣的溫度分布表明其不足以滿足弱磁運(yùn)行時(shí)的傳熱需求，現(xiàn)考慮采用導(dǎo)熱系數(shù)更高的絕緣材料：等效傳熱系數(shù)為 0.26W/(m?K)的 F 級(jí)絕緣材料、等效傳熱系數(shù)為 0.5W/(m?K)的云母紙絕緣材料，分別計(jì)算得到繞組與槽絕緣的溫度分布如圖 5.10。
圖 5.10 不同等效槽絕緣傳熱系數(shù)時(shí)繞組溫度分布
明顯看出當(dāng)?shù)刃Р劢^緣傳熱系數(shù)從 0.11/(m?K)變?yōu)?0.26/(m?K)又變?yōu)?0.5/(m?K)時(shí)，繞組最高溫升同時(shí)也是電機(jī)的最高溫升有顯著下降，具體對(duì)比如圖 5.11 所示。這是由于等效槽絕緣包裹著電機(jī)的最大熱源——繞組，其傳熱系數(shù)的大小直接關(guān)系到熱量是否能夠通過槽絕緣經(jīng)定子鐵心和槽楔氣隙有效傳遞出去，故而等效槽絕緣傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算也至關(guān)重要。
圖 5.11 不同等效槽絕緣時(shí)溫度比較
5.4.3 繞組端部環(huán)氧樹脂封裝對(duì)溫度場(chǎng)的影響
車削電主軸的運(yùn)行是對(duì)零件精準(zhǔn)加工的過程，溫度升高會(huì)影響加工精度，因而力求降低溫升。上一小節(jié)分析得到，采用導(dǎo)熱系數(shù)為 0.5/(m?K)的云母作為槽絕緣材料時(shí)，車削電主軸電機(jī)的最熱點(diǎn)位于端部繞組處，溫升達(dá) 77.8K。為了解決端部溫升偏高的問題，可采用端部封裝環(huán)氧樹脂的方法，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于端部空氣，西門子一款 1FE1 水冷電機(jī)定子端部封裝如圖 5.12 所示。
圖 5.12 繞組端部封裝環(huán)氧樹脂示意圖
經(jīng)查找得到，6286 進(jìn)口高溫環(huán)氧樹脂灌封膠（Hasuncast 6286 A&B）是一種低粘度、阻燃環(huán)氧數(shù)值灌封密封化合物，能長期在 160°溫度范圍內(nèi)保持堅(jiān)硬，并具有良好的導(dǎo)熱性，這些特點(diǎn)使其廣泛的應(yīng)用于精密組件的灌封、密封上，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 4.8/(m?K)，數(shù)據(jù)來源于深圳市華勝同創(chuàng)科技有限公司。將車削電主軸電機(jī)定子繞組端部用 6286 進(jìn)口高溫環(huán)氧樹脂封裝前后的繞組、槽絕緣及其端部質(zhì)的溫度分布對(duì)比如圖 5.13 所示。圖中 5.13 a 虛線左側(cè)高長方體仍為電機(jī)定子與端蓋形成的腔內(nèi)空氣，虛線右側(cè)與繞組接觸部分為環(huán)氧樹脂，對(duì)稱位置類似。從圖中可以明顯看出，采用環(huán)氧樹脂時(shí)繞組端部最高溫升為 66.8K，比未采用環(huán)氧樹脂溫升 77.8K 下降了 11K。從圖中的顏色分布來看，a 中虛線中部與最高溫度的溫差為28.7K，另一側(cè)溫差為 16.4K；b 中兩端分別相差 24.6K 和 0K。導(dǎo)熱性能越好的介質(zhì)，溫度傳遞越均勻，越接近等溫體，顯然 b 中采用環(huán)氧樹脂灌封的方式使得一端的溫差更小，溫度向外傳導(dǎo)更多，較 a 更接近等溫體。
圖 5.13 封裝環(huán)氧樹脂前后繞組溫度分布
電主軸電機(jī)其余部分的最高溫升結(jié)果如圖 5.14 所示。
圖 5.14 最終方案下電機(jī)各部分溫度分布
從圖 5.14 中可看出，繞組的最高溫升為 66.8K，是絕緣能夠承受范圍內(nèi)；車削加工中對(duì)軸頭要求較高，不允許超過 50K 以免影響刀具定位精度，由有限體積計(jì)算得到的軸承最高溫升為 47.8K，亦滿足要求。
5.5 本章小結(jié)
本章對(duì)所設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算分析，得到結(jié)論如下：
（1）保證冷卻水處于湍流狀態(tài)的最小水速為 0.2m/s，水速增加到 2.5m/s 后溫度幾乎沒有變化，則此冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)通水速為 2.5m/s，以獲得最大供水效能。
（2）此電主軸電機(jī)在弱磁時(shí)損耗大大增加，溫升過高會(huì)損壞絕緣，故而考察了采用導(dǎo)熱特性優(yōu)良的云母做槽絕緣時(shí)的溫升。當(dāng)?shù)刃Р劢^緣傳熱系數(shù)為 0.26W/(m?K)時(shí)，電機(jī)最高溫升為 106.5K，而等效槽絕緣傳熱系數(shù)為 0.5W/(m?K)時(shí)，電機(jī)最高溫升為77.8K，降低了 28.7K，更說明等效槽絕緣傳熱系數(shù)的計(jì)算對(duì)溫度場(chǎng)至關(guān)重要。
（3）當(dāng)對(duì)繞組端部采用導(dǎo)熱系數(shù) 4.8W/(m?K)的 6286 進(jìn)口高溫環(huán)氧樹脂灌封膠時(shí)封裝時(shí)，電機(jī)端部最高溫升為 66.8K，比未采用時(shí)降低了 10K，降低約 14%，此時(shí)端部散熱情況達(dá)到要求，說明端部封裝環(huán)氧樹脂能夠顯著降低繞組端部溫度。其余各部位溫升分別為：機(jī)殼 10.5K，定子 45.1K，永磁體 47K，轉(zhuǎn)子 47.3K，軸承 47.8K，轉(zhuǎn)軸47.7K，各部位最高溫升均在可承受范圍內(nèi)。
從圖 5.14 中可看出，繞組的最高溫升為 66.8K，是絕緣能夠承受范圍內(nèi)；車削加工中對(duì)軸頭要求較高，不允許超過 50K 以免影響刀具定位精度，由有限體積計(jì)算得到的軸承最高溫升為 47.8K，亦滿足要求。
第 6 章 結(jié)論
本文針對(duì)車削用電主軸永磁同步電機(jī)展開研究，根據(jù)車削電主軸電機(jī)的空間尺寸和技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一臺(tái) 6 極 36 槽 28k W 的車削電主軸電機(jī)，并對(duì)其電磁參數(shù)、弱磁性能、損耗及溫升進(jìn)行了分析計(jì)算，本文主要工作及結(jié)論如下：
（1）結(jié)合配套機(jī)床的安裝尺寸及規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定電機(jī)電磁方案。建立電機(jī)二維模型，采用 Maxwell 2D 進(jìn)行仿真分析，得到空載、額定負(fù)載時(shí)的磁密磁力線分布，空載反電勢(shì)、齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密，負(fù)載電流、輸出轉(zhuǎn)矩等，驗(yàn)證了電磁方案的合理性。
（2）對(duì)電機(jī)的弱磁特性和損耗進(jìn)行了較為全面的分析與計(jì)算，得到交直軸之間磁路存在交叉飽和影響后，基于場(chǎng)的方法求得直軸電感值，進(jìn)而得到電機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為 6936.4r/min，并找到當(dāng)極限電流為 100A，控制角為 81.8 度時(shí)能達(dá)到二倍弱磁速度的要求；最后采用基于 Bertotti 鐵耗分離計(jì)算模型的有限元法對(duì)定轉(zhuǎn)子鐵心損耗、永磁體渦流損耗進(jìn)行計(jì)算，得到二倍弱磁時(shí)，定子鐵耗增53.1%，轉(zhuǎn)子鐵耗增加455.5%，永磁體渦流損耗增加 54.8%，但后兩者從數(shù)值來講較定子鐵耗小很多，低頻時(shí)通常可忽略不計(jì)。
（3）對(duì) 20k W 永磁同步水冷電機(jī)進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，給出了建立三維模型時(shí)繞組端蓋、軸承、轉(zhuǎn)軸等的等效方法，等效材料傳熱系數(shù)和散熱系數(shù)的計(jì)算，裝配間隙的處理以及基本假設(shè)和邊界條件等。用仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得到電機(jī)繞組平均溫升誤差 5%，繞組最高溫升誤差 6.7%，端蓋最高溫升 6.5%，滿足工程需求，且溫度分布趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了所用溫度場(chǎng)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。
（4）確立電主軸電機(jī)為螺旋周向冷卻水道，對(duì)其溫升進(jìn)行研究。得到額定時(shí)不同冷卻水流速下各部分溫升情況，找到飽和水速為 2.5m/s，針對(duì)弱磁時(shí)損耗大大增加的事實(shí)，對(duì)比了不同等效槽絕緣下的溫升情況，得到槽內(nèi)絕緣材料采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的云母，方能滿足散熱需求，此時(shí)電機(jī)最高溫升為繞組端部 77.8K；并采用端部封裝環(huán)氧樹脂的方法降低繞組端部溫升，當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù) 4.8W/(m.K)的 6286 進(jìn)口高溫環(huán)氧樹脂灌封膠時(shí)，繞組端部最高溫升為 66.8K，降低約 14%，其余部位的溫升為：機(jī)殼 10.5K，定子 45.1K，永磁體 47K，轉(zhuǎn)子 47.3K，軸承 47.8K，轉(zhuǎn)軸 47.7K，各部位最高溫升均在可承受范圍內(nèi)。
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