永磁同步電主軸內部流場與溫度場耦合分析

于慎波，任春雨，鐘雙雙，夏鵬彭

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110023)

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永磁同步電主軸內部流場與溫度場耦合分析

于慎波，任春雨，鐘雙雙，夏鵬彭

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110023)

永磁同步電主軸內部溫度過高是影響其正常工作的主要因素之一。本文以某種型號的永磁同步電主軸為研究對象，分析了電主軸內部的空氣流動對其溫升的影響。基于UG軟件對該電主軸內部氣隙和包括端部繞組在內的端部進行建模，并基于ICEM軟件對模型進行了網格劃分。在一定的假設和邊界條件下，采用ANSYS/FLUENT對其內部的流場和溫度場進行了耦合計算，得到了該電主軸內部的溫度和流速分布。分析結果表明：永磁同步電主軸內部空氣流速對電主軸內的溫升有一定影響；電主軸氣隙內側凹槽的旋轉，可以有效地擾動端部空氣，從而增加了繞組散熱。

永磁同步電主軸；流熱耦合分析；流體動力學

0 前言

隨著制造工業的發展，永磁同步電主軸功率密度在不斷提高。高功率密度要求電主軸在較小的空間內產生較大的轉矩[1]，必然會增大電主軸單位體積上的損耗，從而使電主軸內部溫度升高，直接會破壞繞組的絕緣，影響永磁體的穩定性，甚至引起永磁體退磁等[2]，最終導致電主軸的壽命縮短。因此，分析電主軸內的溫度場是十分必要的。

電主軸內冷卻介質的流動直接影響著溫度場的分布，而電主軸內流場復雜，流動也不均衡，所以流場的計算既是復雜的又是十分關鍵的環節。就目前來看，國內外學者對電主軸溫度場的研究大多數采用的方法為有限元法，然后根據經驗公式算出冷卻介質的流速和散熱系數[3-4]，這種計算結果并不準確，沒有考慮流場和熱場在分析時的耦合性。此外，由于定子和轉子表面的結構各異，氣隙表面并不光滑，在轉子表面存在軸向凹槽，對流體的流動產生一定的影響。因此， 以往將其等效成光滑壁面是存在誤差的。

本文針對以上提出的內容進行了改進，采用熱流耦合法，對電主軸內部流場和溫度場進行了同步分析。在建模中考慮了軸向凹槽。本文采用FLUENT仿真軟件對電主軸內部氣隙和端部繞組的流場、溫度場進行了耦合分析。

1 計算域模型的建立

1.1數學模型

氣體流動和液體流動都需要滿足守恒定律，而電主軸流熱耦合問題同樣需要滿足三大守恒定律[5]，即質量守恒、動量守恒、能量守恒。電主軸內空氣流動的數學模型。

(1)質量守恒方程。

?u?x+?v?y+?w?z=0

(1)

式中，u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。

(2)動量守恒方程。

?(ρuu)?x+?(ρuv)?y+?(ρuw)?z=??xμ?u?x+ ??yμ?u?y+??zμ?μ?z-?p?x

(2)

?(ρvu)?x+?(ρvv)?y+?(ρvw)?z=??xμ?v?x+ ??yμ?v?y+??zμ?v?z-?p?y

(3)

?(ρwu)?x+?(ρwv)?y+?(ρww)?z=??xμ?w?x+ ??yμ?w?y+??zμ?w?z-?p?z

(4)

式中，ρ為流體密度；μ為動力粘度；p為流體壓強。

(3)能量守恒方程。

?(ρuT)?x+?(ρvT)?y+?(ρwT)?z=??xkCp?T?x+ ??ykCp?T?y+??zkCp?T?z-?p?x

(5)

式中，T為溫度；Cp為流體比熱容。

由于電主軸內端部繞組的溫升問題，所以還要考慮熱量傳遞特性[6]，同時還需要給定熱源項的熱性能以及冷卻介質的基本流動特點。

1.2 三維有限元模型

封閉式永磁電主軸內部空氣不能與外部空氣交換流通，空氣流動的動力主要來自轉子旋轉及空氣與繞組端部的溫差，繞組端部散熱形式為強迫對流和自然對流的結合。

封閉式電主軸繞組端部散熱情況復雜，很難通過公式進行解析計算[7]，為此，本文采用FLUENT軟件對端部和氣隙等部位的溫度情況進行仿真求解，建立端部空氣及氣隙模型，如圖1所示。

圖1 整體裝配模型

1.3 網格劃分

FLUEN分析對網格劃分的要求很高，所以模型的網格劃分由功能強大的ICEM軟件完成。氣隙的尺寸較小，網格需要加密，該部分最大網格尺寸定為0.1 mm，端部空氣和繞組部分的最大網格尺寸定為3 mm。流體和固體的交界面要設置interface，靜止域和旋轉域的交界面也要設置interface。本文模型共有8個也就是4對interface面，網格總數為9 047 531，網格質量在0.3以上，滿足計算要求[8]，模型的網格如圖2所示。

圖2 網格模型

1.4 邊界條件

(1)電主軸中的流體的雷諾數Re通常大于2 300，屬于湍流[9]，所以使用湍流模型對其內部流場進行分析；

(2)電主軸內流體流速遠遠小于聲速，所以把流體看成不可壓縮流體進行分析；

(3)只研究電主軸端部流體和氣隙流體的穩定狀態，所以不含有時間項；

(4)將模型分為靜止域和旋轉域，采用MRF模型分析[10]；

(5)不含有軸向流速，分析過程只考慮轉速，為2 000 r/min；

(6)將端部繞組定義為發熱部件，并且熱流密度分布均勻；

(7)端部繞組均有對流散熱情況，所以將其賦予對流邊界條件。

2 數值分析結果

2.1 速度分布

圖3為不同截面上的速度分布圖，可以看出電主軸端部以及氣隙部分的流體速度分布情況，由于轉子在旋轉時會帶動氣隙中空氣的轉動，而氣隙的轉動又會帶動端部空氣轉動，端部空氣在接近氣隙部分轉速較大，速度矢量分布較為密集，其中氣隙凹槽部分的速度是整個模型速度最大的位置，類似于小型風扇一樣吹向端部繞組，從而對端部繞組起到散熱的作用，如圖4和圖5所示。整個空氣流場計算域中的最高速度為11.9 m/s，氣隙部分的速度由內表面向外逐步增加，越接近轉子的部分速度越快，圖5為軸向剖面的速度云圖，可以清楚地看到氣隙與端部空氣交接部分的速度變化。

圖3 整體速度矢量圖

圖4 局部速度矢量圖

圖5 平面速度云圖

圖6 湍流分布圖

圖7 湍流平面圖

圖6是模型的湍流分布情況，由圖可以看到湍流主要集中在氣隙的凹槽處。由圖7的剖面圖也能清晰地看到在氣隙凹槽與端腔空氣的交接處流動比較復雜，回流現象比較突出。

2.2 溫度分布

圖8是模型的溫度分布云圖。端部繞組的溫度為89.84℃，溫度呈現兩端高中間低的分布。圖9是繞組溫度分布，整體看來溫度分布比較均勻，但靠近空氣的面明顯要比其他面的溫度低，說明氣體流動對繞組起到了散熱的作用。圖10是軸向剖面的溫度分布圖，能清楚地反映模型內部的溫度分布情況。

圖8 整體溫度分布圖

圖9 繞組溫度分布圖

圖10 溫度分布平面圖

3 結果分析

本文針對永磁同步電主軸的端部和氣隙部分的流場以及溫度場的耦合分析進行了一定的研究，最終可以得到以下結論：

(1)整個模型的溫度成軸對稱分布，由于兩端蓋處型腔形狀不同，所以兩個端部繞組及其周圍空氣溫度分布并不相同，這說明形狀對溫度的分布有著一定的影響。

(2)氣隙的軸向凹槽處空氣流動復雜，流動速度并不均勻，且存在明顯的湍流現象，氣隙部分不能簡單等效成光滑表面忽略軸向凹槽。

(3)氣隙旋轉對于繞組散熱有一定影響。氣隙部分的空氣以一定的速度吹向端部繞組，對繞組散熱起到了類似風扇的作用。

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Coupling analysis of internal flow field and temperature field ofpermanent magnet synchronous motorized spindle

YU Shen-bo, REN Chun-yu, ZHONG Shuang-shuang, XIA Peng-peng

(Shenyang University of Technology, shenyang 110023,China)

Over heating of Permanent Magnet Synchronous Motorized Spindle(PMSMS)is one of the main factors that affect the normal operation. This paper selected a certain type of PMSMS as the research object, the influence of air flow in PMSMS on its internal temperature rise was analyzed. The internal air gap and end winding of the motorized spindle were modelled by the UG software. The model was meshed by the ICEM software. Under certain assumptions and boundary conditions, the flow field and temperature field were calculated using ANSYS/FLUENT. The temperature distribution and velocity distribution of the motorized spindle were obtained. The analysis results show that the air flow in the PMSMS has a certain influence on the temperature rise of the motorized spindle. Rotation of the groove on rotor surface in the air gap of the motorized spindle can effectively disturb the air in winding end. Thereby, the heat dissipation of the winding is increased.

permanent magnet synchronous motorized spindle；flow-heat coupling analysis；fluid dynamics

2016-11-03；

2017-01-03

國家自然科學基金項目(51175350)；沈陽市科技計劃項目(F15-199-1-13)。

于慎波(1958-)，男，遼寧沈陽人，沈陽工業大學機械工程學院教授，博士，研究領域為電機噪聲與振動抑制技術。

TM315

A

1001-196X(2017)04-0039-04