電動振動臺散熱特性優(yōu)化分析

葉騰波,唐金龍,府曉宏

(蘇州東菱振動試驗儀器有限公司,江蘇 蘇州 215163)

1 引 言

電動式振動臺因其工作頻率范圍寬、承載力大、波形失真度小,且能進(jìn)行隨機(jī)振動,得到了非常廣泛的應(yīng)用[1]。電動式振動臺在工作中會產(chǎn)生大量的電阻熱和感應(yīng)熱[2],需采取有效的散熱措施。目前,推力在5t以下的振動臺多通過強(qiáng)制空氣對流實現(xiàn)冷卻,推力超過5t的振動臺多采用冷卻水散熱。水冷的散熱效率遠(yuǎn)超風(fēng)冷,但水冷單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高[3]。

通過計算總的電阻熱以及進(jìn)、出口流體的溫度差,可以計算出所需的水量或風(fēng)量,并根據(jù)修正系數(shù)設(shè)計得到合理的水壓或風(fēng)壓。但是這種結(jié)合經(jīng)驗估算的方法,需設(shè)備組裝后依據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。水冷式振動臺通常采用空心繞線,冷卻水直接在導(dǎo)線內(nèi)部流通,這種散熱技術(shù)已十分成熟。風(fēng)冷式振動臺易受周圍環(huán)境溫度、風(fēng)道結(jié)構(gòu)和動圈運(yùn)動的影響。在現(xiàn)有振動臺的基礎(chǔ)上,通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以提高振動臺的散熱效率是本文主要討論的內(nèi)容。通過有限元分析方法,可以提前獲知臺體的散熱情況以及優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)對磁場的影響。

2 振動臺線圈傳熱特性的計算方法

振動臺的結(jié)構(gòu)與原理近些年來基本沒有變化,本文不再贅述,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常規(guī)振動臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 線圈的瞬態(tài)傳熱特性

(1)風(fēng)冷式振動臺的線圈傳熱特性

風(fēng)冷式振動臺的驅(qū)動線圈和勵磁線圈均采用漆包銅線或鋁線,其傳熱模型可看作是導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱直接傳導(dǎo)給絕緣漆內(nèi)表面,再由絕緣漆外表面通過強(qiáng)制對流散熱。線圈的非穩(wěn)態(tài)傳熱方程可表達(dá)為[4]:

(1)

驅(qū)動線圈和勵磁線圈的溫度可整理為:

(2)

其中,c是冷卻介質(zhì)的熱容,m是質(zhì)量,i和j分別表示導(dǎo)線和絕緣漆,t為時間,A為線圈與空氣接觸的表面積,βca為空氣強(qiáng)迫對流系數(shù),Φ為總熱量,T0為空氣常溫。

(2)水冷式振動臺的線圈傳熱特性

水冷式振動臺的驅(qū)動線圈和勵磁線圈均采用空心漆包線,導(dǎo)線內(nèi)部設(shè)有過水通道,外部為絕緣漆。工作時,導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱直接傳導(dǎo)給絕緣漆,同時內(nèi)部通道內(nèi)的冷卻水會對導(dǎo)線進(jìn)行強(qiáng)制對流散熱。此時,臺體內(nèi)部空氣的自然對流散熱可忽略不計。故線圈的非穩(wěn)態(tài)傳熱方程為[4]:

(3)

整理得:

(4)

其中,Ain為線圈導(dǎo)線內(nèi)部通道表面積,βcw為水的強(qiáng)迫對流系數(shù)。

上述公式均表明,線圈的溫度與環(huán)境溫度、輸入功率呈正相關(guān),與對流系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

2.2 振動臺線圈散熱計算方法

通過空氣或水對振動臺進(jìn)行冷卻后,冷卻介質(zhì)的溫度變化公式為[4]:

(5)

其中,ΔT為冷卻介質(zhì)的溫度變化,M為冷卻介質(zhì)的流量。

流量M的計算公式為[5]:

(6)

其中,μ是流量系數(shù),H=P/ρg,H是入口處的壓力,g為重力加速度,ρ為通道中流體的密度,S為過水截面積。

對于水冷式線圈,由于線圈為繞組形態(tài),其流量系數(shù)μ=1/(1+∑ε+γl/d)0.5。其中,γ為沿程阻力系數(shù),l為水管長度,d是水管的水力直徑,ε為彎管局部阻力系數(shù)。彎管局部阻力系數(shù)之和∑ε=nε,其中,ε為彎管局部阻力系數(shù),n為彎管數(shù)量。

3 振動臺線圈散熱分析

3.1 風(fēng)冷式振動臺線圈散熱優(yōu)化方法

3.1.1 進(jìn)氣路徑的選擇

由式(2)和式(4)可知,無論是風(fēng)冷還是水冷,最終線圈的恒定溫度均與初始溫度呈正相關(guān)。根據(jù)實際工程經(jīng)驗,上進(jìn)氣、下抽風(fēng)結(jié)構(gòu)的散熱效率最高。隨著空氣自上往下依次流過上勵磁、驅(qū)動線圈和下勵磁,氣體的溫度逐漸增加,線圈的散熱效率逐次遞減。進(jìn)氣路徑設(shè)計時,可以適當(dāng)減少上勵磁的氣流量,使更多空氣直通氣隙,可實現(xiàn)溫降3～5K。風(fēng)冷式振動臺溫度分布如圖2所示。

(a)直通式 (b)斜通式

3.1.2 動圈運(yùn)動的影響

值得注意的是,系統(tǒng)工作時,動圈在豎直方向作周期運(yùn)動,會對氣流產(chǎn)生作用力。常規(guī)5t風(fēng)冷臺的特性如圖3所示,通過分析軟件可模擬動圈運(yùn)動對風(fēng)壓的影響。簡化模型,假定空氣從進(jìn)風(fēng)孔直達(dá)氣隙,設(shè)出口風(fēng)壓為700Pa,動圈位移x=38·sin(10t)mm,則流量與風(fēng)速隨時間的變化如圖4所示,兩者均有較大的波動,有效值波動差約25%。動圈運(yùn)動與冷卻空氣流量的關(guān)系,主要受氣隙高度、氣隙與動圈間距和進(jìn)風(fēng)方向的制約。其中,氣隙的相關(guān)參數(shù)會干擾磁場強(qiáng)度,因此主要通過增加從動圈側(cè)流入氣隙的空氣流量,以降低動圈運(yùn)動對臺體散熱的影響。

(a)最大速度與頻率的關(guān)系

(a)流量隨時間的變化

3.1.3 臺體內(nèi)空氣回流的影響

常規(guī)的振動試驗臺均采用前文所述的散熱結(jié)構(gòu),其動圈最大位移一般小于100mm。對于一些特殊試驗裝備,如最大位移400mm的長沖程電動振動設(shè)備,在常規(guī)臺體的基礎(chǔ)上改用新型的雙導(dǎo)向骨架結(jié)構(gòu);同時,增加上磁環(huán)以固定直線軸承,支撐動圈導(dǎo)向桿運(yùn)動[6]。

上磁環(huán)本質(zhì)上是空心圓柱體,常規(guī)側(cè)向進(jìn)風(fēng)口以圓心連線為軸線,由于沿程壓損的存在,加之動圈的周期運(yùn)動,會造成上磁環(huán)內(nèi)形成回流。通過圖5所示的斜通式進(jìn)風(fēng)口,基圓半徑設(shè)置R1≈(1/3～1/2)R2(R2為磁環(huán)內(nèi)徑),最有利于空氣旋流進(jìn)入氣隙,同時可抑制上磁環(huán)內(nèi)的空氣回流?？諝饬魉俜植既鐖D6所示。

圖5 側(cè)向斜通式進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)

(a)側(cè)向直通式

3.2 水冷式振動臺線圈散熱優(yōu)化方法

水冷式振動臺的冷卻主要通過在空心導(dǎo)線內(nèi)通冷卻水實現(xiàn),線圈的穩(wěn)態(tài)溫度可視作與出口處的冷卻水溫度一致。由式(5)可知,在功率一定的條件下,線圈的溫降與流量成反比,而流量與入口壓力P的開方及過水截面積S成正比。實際上,考慮到安全性,水管內(nèi)的壓力會設(shè)定上限值。隨著振動臺推力的增加,臺體的發(fā)熱量越來越高,僅靠壓力提升已無法滿足大推力振動臺的冷卻要求。為進(jìn)一步降低線圈溫度,可改變過水截面積S,但過水截面積的改變會影響金屬導(dǎo)體的截面積,從而影響磁場。因此,在增加過水截面積S時,金屬導(dǎo)線截面積Sd需保持不變。水冷線圈結(jié)構(gòu)如圖7所示。

(a)導(dǎo)線截面示意圖 (b)勵磁線圈繞線示意圖

優(yōu)化前后的線圈數(shù)據(jù)如表1所示。在金屬導(dǎo)線截面積Sd保持基本不變的前提下,過水截面積S增大了39.5%。入口壓力設(shè)為1MPa,沿程阻力系數(shù)γ≈0.032,彎管局部阻力系數(shù)ε≈0.83,由表1可知,f1=f2=f。水力直徑d=4(a-2f)(b-2f)/(2((a-2f)+(b-2f))),勵磁線圈的總功率為85kW,彎管數(shù)量n=12。計算結(jié)果表明,優(yōu)化前線圈溫度約為50℃,優(yōu)化后約為35℃,該計算結(jié)果與測試結(jié)果基本一致。

表1 優(yōu)化前后線圈參數(shù)

對優(yōu)化前后的勵磁線圈磁場進(jìn)行模擬分析,結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)表明,在金屬導(dǎo)線截面積一致的前提下,適當(dāng)增加線圈總截面積和過水面積不會影響磁場強(qiáng)度。

圖8 優(yōu)化前后動圈位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度對比

4 結(jié) 論

(1)線圈的溫升計算公式表明,其最終溫度與環(huán)境溫度、輸入功率呈正相關(guān),與對流系數(shù)和散熱面積呈負(fù)相關(guān)。

(2)風(fēng)冷式振動臺的進(jìn)氣路徑設(shè)計,增加直通氣隙的空

氣比例,可實現(xiàn)設(shè)備整體降溫3～5K。同時,動圈的周期運(yùn)動,會使氣隙有效進(jìn)氣流量損失約25%。而超大位移振動臺,由于空心圓柱狀的上磁環(huán)的存在,進(jìn)氣時會形成回流。通過斜通式進(jìn)風(fēng)口,可有效抑制上磁環(huán)內(nèi)的空氣回流,同時增加氣隙的進(jìn)氣量。

(3)水冷式振動臺線圈的散熱優(yōu)化主要通過改變水壓和過水截面積實現(xiàn)。在增加過水截面積時,確保金屬導(dǎo)線的有效截面積不變,可實現(xiàn)線圈降溫超15℃,也不會影響磁感應(yīng)強(qiáng)度。