基于高速異步主軸電機(jī)的熱分析與冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

蔡汝軒

（贛州核力機(jī)械股份有限公司，江西 贛州 341000）

我國機(jī)械制造加工技術(shù)逐漸提升，朝著高效率、高精度以及高速的方向發(fā)展。在加工中心以及數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用高速切削技術(shù)較為廣泛。數(shù)控機(jī)床采取電主軸結(jié)構(gòu)其可靠性比較高，高速電主軸作為加工中心以及數(shù)控機(jī)床的核心部件，其精度對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)床整體性能是非常重要的。

電主軸的溫升和轉(zhuǎn)機(jī)的高轉(zhuǎn)速以及發(fā)熱量大有直接關(guān)系，其會(huì)影響電主軸的動(dòng)態(tài)特性以及熱態(tài)性能，從而降低加工的精度，主要有維修頻繁、維修成本高以及使用期限短等，在我國，電主軸的使用期限平均在800h以內(nèi)，而造成損壞的主要因素就是電主軸的發(fā)熱，因此，對(duì)其分析并改進(jìn)是非常有必要的。

1 精確分析電機(jī)熱源

與普通的常速電機(jī)對(duì)比，高速主軸異步電機(jī)因高諧波磁場頻率和高轉(zhuǎn)速，單位體積定子鐵耗與銅耗，風(fēng)摩損耗與高頻渦流損耗都加大了。電機(jī)發(fā)熱量大，功率密度大，所以，對(duì)于電機(jī)溫升要準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)各損耗才能合理地設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)。

1.1 鐵耗

本文研究的高速主軸異步電機(jī)參數(shù)為：最大外徑為68mm，額定轉(zhuǎn)速為100000r/min，額定功率為1kW，定子槽數(shù)為12，極對(duì)數(shù)為2。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心中的磁場是由不同頻率的磁場組成，鐵耗就是各次諧波磁場產(chǎn)生的鐵耗線性疊加，對(duì)鐵耗采取改進(jìn)的變系數(shù)正交分解模型進(jìn)行求解，如公式（1）所示。

式中，f表示基波磁場頻率，Kc（kf）表示渦流損耗系數(shù)，Br（t）表示定子磁場法向分量，Bt（t）表示定子磁場切向分量，Bkmax表示k次橢圓形磁場長軸，Bkmin表示k次橢圓形磁場短軸。

1.2 風(fēng)摩損耗

有相關(guān)研究得出電機(jī)風(fēng)摩耗損的公式如（2）所示。

式中，l表示氣隙軸向長度，r表示轉(zhuǎn)子半徑，表示轉(zhuǎn)子角速度，Cf表示空氣摩擦系數(shù)，Cr表示轉(zhuǎn)子表面粗糙度（1～1.4），光滑表面通常取1。

Cf和雷諾數(shù)有關(guān)，如公式（3）所示：

式中，δ表示氣隙半徑方向長度，μ表示空氣動(dòng)力黏度，v表示轉(zhuǎn)子表面線速度，ρ表示空氣密度。

高度電機(jī)通常處在湍流狀態(tài)，有著比較高的氣隙流速，可通過公式（4）得到Cf，如下所示：

本文對(duì)比公式（2）與風(fēng)摩損耗結(jié)果，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高達(dá)到了十萬轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子線速最大達(dá)到了136.5m/s，需要對(duì)空氣密度的影響進(jìn)行考慮，本文中氣隙屬于湍流，空氣雷諾數(shù)比臨界雷諾數(shù)要打，選擇RNG k-ε模型仿真，使用非平衡壁面函數(shù)作為空氣域。氣隙模型如圖1所示。

圖1 空氣域仿真模型

對(duì)電機(jī)流體域模型假設(shè)如下：

（1）電機(jī)工作時(shí)采取水冷作為冷卻方式，只需要對(duì)氣隙中空氣圓周旋轉(zhuǎn)流動(dòng)進(jìn)行考慮。

（2）模型運(yùn)動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子速度是相同的，在標(biāo)壓下，對(duì)流體因重力與空氣浮力的影響進(jìn)行忽略。

通過分析，電機(jī)轉(zhuǎn)速在10萬轉(zhuǎn)以上時(shí)，風(fēng)摩損耗隨著轉(zhuǎn)速增加而加大，由此能夠看出，轉(zhuǎn)速在10萬轉(zhuǎn)以上時(shí)，在總損耗中，風(fēng)摩損耗的占比也越來越多，是高速電機(jī)中主要的一種損耗來源。

1.3 各部件的損耗和生熱率

在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中高速電機(jī)諧波磁密頻率越高，其產(chǎn)生的渦流損耗就會(huì)越大。而對(duì)于集膚效應(yīng)造成轉(zhuǎn)子槽漏感減少以及導(dǎo)條電阻增加要進(jìn)行考慮，有相關(guān)研究表明，電機(jī)復(fù)雜槽型集膚效應(yīng)的電抗較小系數(shù)和電阻增加系數(shù)的計(jì)算分別為

由此來計(jì)算電機(jī)各類損耗與生熱率，結(jié)果為，摩擦損耗為17W，生熱率為16.1×106W·m-3，轉(zhuǎn)子鐵耗為69W，生熱率為3.7×106W·m-3，定子鐵耗為193W，生熱率為4.4×106W·m-3，轉(zhuǎn)子銅耗為173W，生熱率為48.0×106W·m-3，端部繞組銅耗為10W，生熱率為5.7×106W·m-3，槽內(nèi)繞組銅耗為72W，生熱率為5.9×106W·m-3。

由此能夠看出，在電機(jī)所有損耗中，占比最大的是轉(zhuǎn)子銅耗與定子鐵耗，轉(zhuǎn)子和定子相比，其體積比較小，所以散熱的面積小，那么，單位體積內(nèi)轉(zhuǎn)子機(jī)械摩擦損耗以及銅耗的生熱率占比最大，轉(zhuǎn)子鐵耗雖小，但考慮其生熱率還是不能忽略。

2 熱分析與冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

中小型電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)較為常用的為軸向Z字型與周向螺旋型，軸向Z字型冷卻通道接觸冷卻液的面積比較大，冷卻液從機(jī)殼尾部到另一端折返多次對(duì)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行覆蓋，軸向Z字型對(duì)冷卻液的流速會(huì)進(jìn)行影響，應(yīng)對(duì)進(jìn)水口的壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶嵘琙字型結(jié)構(gòu)的出入口軸向位置可以相同，這個(gè)更方便連接。周向冷卻沿著機(jī)殼旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，其流道載面積有著較好的一致性，結(jié)構(gòu)順暢，但出入口通常在電機(jī)軸向兩端進(jìn)行布置。

2.2 邊界條件與仿真模型

本文對(duì)軸向Z字型冷卻結(jié)構(gòu)與周向螺旋型冷卻結(jié)構(gòu)的溫度場進(jìn)行仿真，其包含冷卻水道、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、定子鐵心、端蓋、機(jī)殼以及轉(zhuǎn)軸，如圖2所示。

圖2 電機(jī)溫度場模型

對(duì)溫度場本文進(jìn)行分析做出假設(shè)如下：

（1）對(duì)熱輻射進(jìn)行忽略。

（2）等效換熱以及熱源系數(shù)不跟隨時(shí)間進(jìn)行變化

主軸電機(jī)運(yùn)行溫度通常在32～35℃，對(duì)惡劣運(yùn)行環(huán)境充分考慮后，初始溫度場溫度設(shè)置為35℃。因?yàn)榇_定水泵實(shí)際入口壓力，冷卻水入口流速穩(wěn)定狀態(tài)下為0.5m/s，入口溫度初始為30℃，把冷卻水出口設(shè)置成壓力出口。

2.3 轉(zhuǎn)子散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)子銅耗有著比較大的生熱率，通過溫度場仿真分析發(fā)現(xiàn)，通過轉(zhuǎn)子鐵心電機(jī)鼠籠條發(fā)熱向轉(zhuǎn)軸傳熱，使得轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)過高的溫度。兩種冷卻結(jié)構(gòu)在35℃下，轉(zhuǎn)軸溫度都比國標(biāo)的要求要高，而Z字型結(jié)構(gòu)雖然有著較低的溫升，DNA轉(zhuǎn)子鐵心溫度達(dá)到了107℃。本文對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)軸間的熱阻通過轉(zhuǎn)子開軸向通風(fēng)口方式進(jìn)行增加，軸向孔的載面積越大，對(duì)于熱阻的提升越有利，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)軸溫升進(jìn)行改善。

2.4 對(duì)溫度場分析改進(jìn)

轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)采取開梯形通風(fēng)槽，從兩種冷卻結(jié)構(gòu)溫度場的仿真結(jié)果可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)采取周向冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)，其最高有114℃的溫度，轉(zhuǎn)子鐵心有75℃的溫度。采取Z型結(jié)構(gòu)時(shí)，其最高有107℃，轉(zhuǎn)子鐵心有67℃的溫度，所以，Z型冷卻結(jié)構(gòu)比較合適。兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)各部件平均溫升如表1所示。

表1 對(duì)比兩種冷卻結(jié)構(gòu)的平均溫升

有表1能夠看出，對(duì)本文電機(jī)的溫升進(jìn)行降低時(shí)，采取Z型冷卻結(jié)構(gòu)更加有力，在水道截面，入口冷卻水流量相同的情況下，采取Z型結(jié)構(gòu)能接觸更大的面積，所以有著更好的散熱效果。

2.5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度校核

高速電機(jī)轉(zhuǎn)子有著較大的離心力，對(duì)于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的溫升通過開軸向通風(fēng)槽進(jìn)行抑制，但對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行開槽會(huì)降低其強(qiáng)度，導(dǎo)致離心力超過材料的最大應(yīng)力，從而損壞轉(zhuǎn)子。所以，需要對(duì)開槽方案進(jìn)行強(qiáng)度校核，以此對(duì)電機(jī)可靠運(yùn)行進(jìn)行保證。

3 結(jié)語

本文對(duì)高速主軸異步電機(jī)的發(fā)熱冷卻問題進(jìn)行了研究，采取的研究對(duì)象是一臺(tái)100000r/min轉(zhuǎn)速的高速電機(jī)，并對(duì)電機(jī)風(fēng)摩損耗規(guī)律通過轉(zhuǎn)子表面粗糙度以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來進(jìn)行研究。

通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真來對(duì)比Z字型冷卻結(jié)構(gòu)與周向螺旋型冷卻結(jié)構(gòu)的效果，最終選擇Z型冷卻結(jié)構(gòu)，而對(duì)于轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)間的熱阻提出了轉(zhuǎn)子開槽的方式進(jìn)行增加，以此對(duì)轉(zhuǎn)軸溫升進(jìn)行改善。最后，對(duì)開槽方案會(huì)影響轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了校核，通過仿真結(jié)果說明，該電機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度是符合要求的，由此本文得出下面幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）該電機(jī)有著比較大的轉(zhuǎn)子銅耗與定子鐵耗，在總鐵耗中渦流損耗占比是最大的，所以對(duì)定子鐵心的磁密盡可能地降低，從而減少鐵耗。

（2）轉(zhuǎn)子銅耗有著較大的生熱率，本文通過轉(zhuǎn)子鐵心開槽方式對(duì)轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子鐵心間的熱阻進(jìn)行增加，以此對(duì)熱傳導(dǎo)進(jìn)行減少。

（3）高速電機(jī)有著較大的風(fēng)摩耗損，所以，為了對(duì)其進(jìn)行減少，需要求轉(zhuǎn)子與定子表面達(dá)到6級(jí)的光潔度。

（4）電機(jī)的轉(zhuǎn)速在100000轉(zhuǎn)以上時(shí)，會(huì)迅速加大風(fēng)摩損耗，這也是主要的電機(jī)損耗，影響電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱分析也比較大。