電主軸電機的溫度場建模研究

劉建平　畢根鳳

摘? ?要：內置電機的發熱是電主軸的主要內部熱源之一，內部溫度較難獲取，溫度場復雜，本文基于電主軸內置電機的結構特點和傳熱學理論，考慮到冷卻系統對內置電機的散熱影響，分析并簡化了內置電機的熱邊界條件，提出了穩態溫度場分析方法，基于熱阻網絡法構建了電主軸電機的穩態溫度場數學模型，并通過仿真分析驗證了模型的準確性。內置電機溫度場數學模型的建立簡化了復雜的溫度場求解問題，對于獲得電主軸系統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意義。

關鍵詞：電主軸? 內置電機? 熱阻網絡? 溫度場? 仿真分析

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

1? 緒論

高速機床的主軸是由內裝式電動機直接驅動的，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床主軸的“零傳動”[1]。電機和軸承是電主軸系統的兩大主要內熱源，內置電動機的發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重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。電主軸由于采用內藏式主軸結構形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風扇散熱，因此自然散熱條件較差。電機在實現能量轉換過程中，內部產生功率損耗，從而使電機發熱。對電機產生發熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環流動來實行強制冷卻。

2? 電主軸內置電機穩態溫度場數學建模

為了簡化電主軸內置電機的穩態分析計算，作如下簡化：

（1）內置電機部分屬于一維導熱，忽略端部效應;

（2）內置電機視為內熱源，且發熱均勻;

（3）主軸各個部件為常物性，且接觸良好;

（4）內熱源產生的全部熱由冷卻介質帶走。

將內置電機視為整體，分析計算電機—水道壁—流體介質的導熱過程及溫度場分布，圖1形象地表述了電機—水道壁—流體介質之間的熱流及熱阻情況，基于熱阻網絡模型展示了電主軸內置電機的物理導熱過程。

3? 電主軸內置電機溫度場仿真分析

若系統的凈流為零，即流入的熱量加上系統自身產生的熱量等于流出系統的熱量[6]：，則系統熱穩態。穩態熱分析的能量平衡方程以矩陣形式，見式（4）：

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

ANSYS利用模型幾何參數、材料熱性能參數以及所施加的邊界條件，生成[K]{T}及{Q}。

穩態分析基于熱傳導方程，不考慮任何時間相關的瞬態效應。載荷和約束包括熱生成、熱通量、熱流率、對流及輻射。基于電主軸整體結構特征，本文將其視為軸對稱結構。電機的定子和轉子、軸承部分均可當作厚壁圓筒，定子冷卻套上的冷卻水道壁可當作薄壁圓筒，螺旋槽可等效為圓環形。

電主軸內置電機在實現能量轉換過程中，內部功率損耗，從而使電機產生大量的熱。本文中對電機產生發熱的主要解決方法是對電機外圈采用冷卻液的循環流動來實行強制冷卻。建立正確的有限元模型是進行熱態分析的基礎，基于電主軸內置電機及冷卻水道的結構特點，簡化幾何結構為長圓環，對其進行網格劃分。

添加材料屬性，對于熱穩態分析，物體的導熱系數是關鍵參數，設置邊界條件進行ansys仿真分析，驗證電主軸內置電機理論模型的正確性。通過仿真分析得到如圖1所示的電機溫度場分布，輸入冷卻水道水溫值為15℃，當電主軸處于熱穩態時，此時電機轉子最高溫度為32.524℃，內置電機定子與冷卻道接觸部位的溫度約為24.587℃，電機冷卻道壁與冷卻介質接觸部位的溫度為：23.595℃與理論模型分析結果對比，誤差為3%左右，可見仿真分析進一步驗證了模型的理論正確性。

4? 結語

（1）內置電機的發熱是電主軸的主要內部熱源之一，基于電主軸內置電機溫度場數學模型，得到電機穩態溫度時轉子溫升最大。

（2）冷卻系統是內置電機的主要散熱系統，電主軸冷卻系統給定不同溫度的介質，將得到穩態下電機徑向各處溫度值。

（3）通過仿真分析驗證了文中簡化模型的正確性，仿真結果與理論模型分析結果誤差為3%左右，為對于獲得電主軸內置電機系統溫度場分布及電主軸熱態使用性能等工程問題有著重要的理論指導意義。

參考文獻

[1] 張柏霖，張志潤，肖曙紅.超高速加工與機床的零傳動[J].中國機械工程，1996，7（5）：37-41.

[2] 黃曉明.高速電主軸熱態特性的有限元分析[D].廣東工業大學，2003.

[3] 王澤鵬，張秀輝，胡仁喜，等.ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.