電主軸電機(jī)的溫度場建模研究

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，溫度場復(fù)雜，本文基于電主軸內(nèi)置電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點和傳熱學(xué)理論，考慮到冷卻系統(tǒng)對內(nèi)置電機(jī)的散熱影響，分析并簡化了內(nèi)置電機(jī)的熱邊界條件，提出了穩(wěn)態(tài)溫度場分析方法，基于熱阻網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建了電主軸電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度場數(shù)學(xué)模型，并通過仿真分析驗證了模型的準(zhǔn)確性。內(nèi)置電機(jī)溫度場數(shù)學(xué)模型的建立簡化了復(fù)雜的溫度場求解問題，對于獲得電主軸系統(tǒng)溫度場分布及主軸使用性能等工程問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? 仿真分析

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

1? 緒論

高速機(jī)床的主軸是由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動的，從而把機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機(jī)床主軸的“零傳動”[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)置電動機(jī)的發(fā)熱對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)在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機(jī)發(fā)熱。對電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機(jī)定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強(qiáng)制冷卻。

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

為了簡化電主軸內(nèi)置電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析計算，作如下簡化：

（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，分析計算電機(jī)—水道壁—流體介質(zhì)的導(dǎo)熱過程及溫度場分布，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)熱過程。

3? 電主軸內(nèi)置電機(jī)溫度場仿真分析

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，見式（4）：

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

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、對流及輻射。基于電主軸整體結(jié)構(gòu)特征，本文將其視為軸對稱結(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)在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部功率損耗，從而使電機(jī)產(chǎn)生大量的熱。本文中對電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機(jī)外圈采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強(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，簡化幾何結(jié)構(gòu)為長圓環(huán)，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

添加材料屬性，對于熱穩(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，驗證電主軸內(nèi)置電機(jī)理論模型的正確性。通過仿真分析得到如圖1所示的電機(jī)溫度場分布，輸入冷卻水道水溫值為15℃，當(dāng)電主軸處于熱穩(wěn)態(tài)時，此時電機(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)果對比，誤差為3%左右，可見仿真分析進(jìn)一步驗證了模型的理論正確性。

4? 結(jié)語

（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)溫度場數(shù)學(xué)模型，得到電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度時轉(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）通過仿真分析驗證了文中簡化模型的正確性，仿真結(jié)果與理論模型分析結(jié)果誤差為3%左右，為對于獲得電主軸內(nèi)置電機(jī)系統(tǒng)溫度場分布及電主軸熱態(tài)使用性能等工程問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，肖曙紅.超高速加工與機(jī)床的零傳動[J].中國機(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)有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.