接触热阻对电机内各部位温度的影响研究.pdf

采用数值模拟分析对电机理想状态下内部流体的流动状态和温度场分布情况进行了可视化阐述,且对不同截面的风量分配情况以及内部各部件的平均温度进行了数据化显示。并通过对电机内部各接触热阻进行多方案温度场分析探索,得出机座与定子铁心接触面的接触热阻对电机内部各部件温度的影响最为明显,温度随该处接触热阻的增大几乎呈线性化升高,而在配合接触面处涂抹导热硅脂和增加铜金属箔能够有效增大导热系数和接触面积,减小接触热阻、增加散热效果。该研究成果对电机设计和生产制造提供了数据支撑和理论参考。中图分类号 TM301.4 文献标识码 A 文章编号1004-9118(2023)03-0001-05DOI:10.14023/ki.dqfb.2023.03.001Research on the Influence of Thermal Contact Resistance on the Temperature of Each Part in MotorZhu En xu 1,Cai He chao2,Niu Chao yang2,Chen Wei wei2(1.Xinyang Vocational and Technical College,Xinyang Henan 464000;2.Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd.,Nanyang Henan 473008)Key words:flow state;temperature field;thermal contact resistance;contact surfaceAbstract:Numerical simulation is used to elucidate the flow state and temperature field distri-bution of the internal fluid in the ideal state of motor.The wind distribution at different cross-sec-tions and the average temperature of the components were displayed.Through the analysis of the thermal contact resistance influence on the temperature inside of the motor,it is found that the con-tact surface between the base and the stator core has the greatest influence.The contact surface tem-perature follows the increase of thermal contact resistance.However,applying thermal conductive silicone grease and increasing copper foil at the contact surface can effectively reduce the thermal contact resistance and promote heat dissipation.The research will provide data support and reference for motor design and production.0引言热量传递是自然界中的一种转移过程,凡是有温差存在的地方,热量就会自发地从高温物体向低温物体传递。自然界和各种生产领域中处处都有温差存在,因此热量的传递成了自然界和各生产技术领域中一种极为普遍的物理现象。热量的传递有三种基本方式:热传导、热对流和热辐1研发与设计接触热阻对电机内各部位温度的影响研究射。在工程实际中两个固体之间的导热现象是温度较高的物体将热量传递给与之接触的温度较低的另一个物体,而任何两个固体表面之间的接触都不可能是紧密的,接触面的两侧必然会存在温度差。在不接触处存在空隙,热量是通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递的,因而存在传热阻力,将此称之为接触热阻1。接触热阻的数值取决于许多因素,包括两接触物体材料的性质、表面粗糙度、界面上所受到的正压力等,虽然已经进行了大量的研究,但是还无法总结出通用的计算规律,对于不同的具体情况必须通过实验测定。文献2研究了接触热阻对高速电主轴热态特性的影响;文献3通过对电机定子部分进行二维温度场分析揭示了接触热阻对异步电动机定子温度场的影响;文献4利用 ANSYS 有限元软件对高温条件下高温合金 GH4169 界面间的接触热阻进行了研究;文献5简单介绍了接触热阻的产生机理以及近些年来国内对接触热阻关于有限元方面最新研究成果和进展,对已有的研究工作进行了总结并指出了以后的研究方向。在现实生活中,电机内部存在的接触热阻位置一般分布在机座与定子铁心接触面、定转子硅钢片间接触面、定子铁心及定子线圈接触面、转子导条、转子铁心接触面、转子铁心、转轴接触面。而定转子硅钢片虽然具备厚度较薄、数量较多的特点,但硅钢片的叠压系数达到 0.97 以上,因此可将定转子硅钢片视为一个整体,故不考虑硅钢片间的接触热阻。由于接触热阻的形成机理复杂,准确的接触热阻难以计算,因此只能依据经验与电机生产制造工艺水平直接假定接触热阻的大小。本文以一台高压高效隔爆型全新一代 IC411三相异步电动机为研究对象,使用现代化的计算分析软件 FLUENT 来探索电机内部可能存在的接触热阻,进行多维度多方案温度场分析计算对比,旨在研究出各接触面热阻对电机内部各部件温度的影响,为后续电机在加工生产制造等方面提供数据支撑和关注方向,从而使电机的冷却散热性能得到了提高。1数值模拟1.1电机温度场物理模型根据电机结构的特点和本文研究内容,采用SolidWorks2016 三维绘图软件,忽略不影响电机热流耦合计算的螺栓结构连接件、密封装置等部件,且由于本文所研究接触热阻归属于电机内部热交换方面,因此对温度场计算用物理模型进行简化,即只建立电机内风路结构,不考虑外风路结构,其温度场最终分析模型如图 1 所示,包括机座、定子铁心、定子线圈、转子导条、转子铁心、端盖、轴和内风扇。网格划分采用 Fluent 中的非结构化网格生成方法:四面体网格和棱柱层混合生成技术,对电机几何模型进行网格划分,网格质量控制在 0.2 以上6-8。图 1温度场计算物理模型1.2计算方案为了探索电机内可能存在的接触热阻因素对电机内部各部件温度的影响大小,本文通过对多种单一因素进行多方案温度场分析,分析方案如下所示。方案一:理想状态,不考虑接触热阻;方案二:考虑接触热阻,机座与定子铁心接触面;方案三:考虑接触热阻,定子铁心与定子线圈接触面;方案四:考虑接触热阻,转子导条与转子铁心接触面;方案五:考虑接触热阻,转子铁心与轴接触面。1.3边界条件(1)电机环境温度 20 ,机座表面对流换热系数 60 W/m2 K;(2)电机流体旋转模拟时采用 MRF 参考系,转速 3 000 r/min,顺时针旋转,湍流模型采用 k-epsilon Realizable Enhanced 模型进行求解计算。2数值模拟及结果分析电机在工作过程中不可避免地要产生损耗,这些损耗最终绝大部分转变成热量传递给电机,使电机各部分温度升高。其损耗从产生的部位划分,一般可以分为以下几个方面,即定子绕组损2电气防爆 2023 年 6 月第 3 期耗、铁心损耗、转子导条损耗、机械损耗和杂散损耗。内部热源及其分布是进行电机温度场及各部件温度计算的基础。电机各部位附加损耗如下表1 所示,电机各部位零部件材料属性如表 2 所示。表 1电机各部位损耗位置损耗 P/W定子绕组损耗5 297铁心损耗4 608转子导条损耗3 827机械损耗2 508杂耗2 908总损耗19 148表 2零部件材料属性密度/(kg/m3)比热容/(J/kgK)导热系数/(W/mK)空气11 0090.0305机座7 85046535轴7 85046535端盖7 85046535定子铁心7 7004500.5/25/25定子线圈8 930386398转子铁心7 7004500.5/25/25转子导条2 719871202.42.1流场特性分析轴截面速度矢量图如图 2 所示,该内风路结构为轴向通风冷却系统,内部离心风扇为冷却系统的动力元件,提供压力和风量;主风路结构为冷风进入转子通风道,升温后的高温气体由风扇甩出进入机座通风道与机座表面的冷却气流进行热交换,后回入转子通风道,形成循环回路,在轴伸端和非轴伸端的线圈端部和端盖内部绕流进行循环;电机定转子气隙内几乎没有风量,风量分配如表 3 所示。图 2轴截面速度矢量图表 3电机内部不同截面位置风量位置风量/(m3/s)转子铁心通风道0.3848机座通风道0.3873定转子气隙0.00252.2温度场特性分析方案一轴截面温度云图如图 3 所示,电机最高温度点位于转子部位,这是因为定转子气隙处风量较小,不能及时地将转子表面的温度带走,且由于定转子气隙的存在同样导致转子处的温度向定子导热不充分,从而导致转子处热量聚集,温度升高。转子部位轴向温度梯度从非风扇侧向风扇侧逐渐升高,这是因为在离心内风扇的压力驱动下,将非风扇侧的高温气流抽到了风扇侧。方案一电机各部件平均温度如下表 4 所示。图 3方案一轴截面温度云图表 4方案一电机各部件平均温度位置温度/定子线圈94定子铁心82转子导条129转子铁心1272.3不同位置接触热阻对各部件温度影响通过对方案一无接触热阻理想状态下的温度场数值模拟计算,更深一步地对该类型电机内部冷却介质的流动状态和不同截面的风量分配有了清晰的了解,且对内部温度场的热分布规律和各部件的平均温度具备了更直观的认知。在方案一的基础上,针对方案二至方案五分别进行单一因素多方案温度场分析。在考虑工厂车间机床实际加工精度的前提下,将四种方案的3研发与设计接触热阻对电机内各部位温度的影响研究接触热阻范围均规定在 0 mm 0.3 mm 之间,电机各部件温度随各部位接触面接触热阻变化情况如图 4 图 7 所示。图 4方案二电机各部件温度随接触热阻变化曲线从图 4 可以看出,方案二机座与定子铁心接触面接触热阻对电机内部各部件温度影响成正向关系,均随着接触热阻的增大而增大,这主要是因为 IC411 结构冷却电机内部的部分热量通过机座 4 个 45方向的轴向通风道与机壳外部进行过冷却换热,但相当一部分热量却是通过机壳与定子接触面进行导热换热,而接触热阻的存在阻碍了热量的传递使其不能将内部的热量充分地传导出去,从而导致内部热量聚集,各部件温度升高。且接触热阻越大,内部温度升高越明显。图 5方案三电机各部件温度随触热阻变化曲线从图 5 以看出,在方案三中定子铁心温度几乎保持不变,并不随着定子铁心与定子线圈间接触热阻的变化而变化。一方面是因为定子铁心体积远大于定子线圈体积,且其单位体积热流密度较小;另一方面则是因为热阻的存在导致温度较高的定子线圈向温度低的定子铁心传递的热量极其有限,而定子铁心所吸收的有限的热量能够通过机座充分传导出去。图 6方案四电机各部件温度随触热阻变化曲线由图 6 可知,方案四中定子部位的温度基本保持不变,并不随转子导条与转子铁心间接触热阻的变化而变化。转子导条温度随着热阻的变大而升高,转子铁心温度随着热阻的增大却略微降低。这是因为热阻导致导条向转子铁心传导的热量少,在气隙和铁心端部的对流换热作用下使铁心温度略微降低,而导条则因为热量传导的不充分造成热量聚集,温度升高。图 7方案五电机各部件温度随触热阻变化曲线由图 7 可知,在方案五中,转子铁心与转轴间接触热阻的变化只对转子部位的温度有所影响,且温度变化很小。这是因为转轴并不是发热体,因此初始温度很低,且由于热阻的存在只能被动地吸收转子铁心少量的温度。从上述可以判断机座与定子铁心处接触热阻对电机各部件温度影响很大,故对此必须加以重视,并着重考虑机座与定子铁心接触面的改进措施。2.4机座与定子铁芯配合接触面改进方案电机机座与定子铁芯之间的散热为传导散热,由散热公式 Q=S 可知(其中,为散热系数,W/(m2k);S 为散热面积,m2;Q 为散热量,w),散热量与接触面积成正比。接触面积大,散热快,接触面积小,散热慢。而影响接触面积的因素主要有粗糙度和接触表面所受的挤压应力。(下转第 8 页)4电气防爆 2023 年 6 月第 3 期电机各部件的最高温度和温度分布特征。有助于了解矿用电机的冷却换热特点和温度传递规律,评估了现有机座方案散热效果,给出了电机水道优化建议。(2)运用 CFD 仿真分析计算对电机冷却系统进行数值模拟指导企业研发设计是完全可行的。可以为电机冷却结构及其优化设计提供研发支撑,减少样机试制,节约开发成本。参考文献1苏鲍里先科.电机中的空气动力学与热传递M.魏书慈,邱建甫译.北京:机械工业出版社,1985.2吴柏禧,万珍平,张昆,等.考虑温度场和流场的永磁同步电机折返型冷却水道设计J.电工技术学报,2019,34(11):2306-2314.3吴琳,王宏光.水冷电机冷却系统设计与计算J.机械设计与制造,2008,(8):40-42.4佟文明,程雪斌.高速水冷永磁电机冷却系统分析J.电机与控制应用,2016,43(3):16-21.5田玉冬,王潇,张舟云,等.车用电机冷却系统热仿真及其优化J.机械设计与制造,2015(2):238-242.6张琪,王伟旭,黄苏融,等.高密度车用永磁电机流固耦合传热仿真分析J.电机与控制应用,2012,39(8):1-5.7刘婉,邹海荣,唐守杰,等.电动机环形水道冷却性能及流动特性分析J.上海电机学院学报,2015,18(4):227-231.8张建文,杨振亚,张政.流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用M.北京:化学工业出版社,2008.(上接第 4 页)2.4.1机座配合面涂高导热硅脂虽然机座与铁心为过盈配合,但因机座内圆与铁心外圆加工精度不同,加工表面粗糙度不同,两者配合后总存在空隙,此部分空隙则由空气充满。而空气的导热系数约为机座壁或铁心硅钢片导热系数的 1/100,因此,空隙则大大影响了传热效果。因此,在机座与铁心之间增加导热性能优良的高导热硅脂,把机座与铁心之间的空隙填充满,高导热硅脂比机座壁或铁心硅钢片导热系数高,提高散热效果。2.4.2机座配合面增加铜金属箔铜金属箔较软,在装配挤压过程中能够增大机座与铁心之间的挤压应力,从而增大接触面积。因为在高的挤压应力下,接触表面产生了变形,原来离散的接触部分面积有所增大,原来不相互接触的部分有可能变成相互接触了,从而使两表面间接触部分以外的空隙减小,增加两者之间的接触面积,增加散热效果。3结论(1)通过数值模拟分析,可视化阐述了电机理想状态下电机内部流体的流动状态和温度场分布情况,且数据化显示了电机内部不同截面的风量分配情况以及内部各部件的平均温度;(2)通过对电机内部各接触热阻进行多方案温度场分析探索,机座与定子铁心接触面的接触热阻对电机内部各部件温度的影响最为明显,温度随接触热阻的变大几乎呈线性化升高;(3)电机机座与定子铁心接触面的接触热阻大小主要取决于配合接触面处的粗糙度和表面所受的挤压应力,因此在配合接触面处涂抹导热硅脂和增加铜金属箔能够有效增大导热系数和接触面积,增加散热效果,且这两种措施易操作、周期短。参考文献1杨世铭,陶文铨.传热学M.北京:高等教育出版社,2006.2张珂,许文治,张丽秀.接触热阻对高速电主轴热态特性影响研究J.组合机床与自动化加工技术,2018(04):23-28.3王艳武,杨立,孙丰瑞.接触热阻对异步电动机定子温度场影响分析J.微特电机,2009,37(02):26-27+55.4史林全,李强.高温条件下接触热阻的数值模拟与试验研究J.热科学与技术,2021,20(05):462-470.5韩冬,韩雪峰.国内关于接触热阻在有限元分析中的研究进展J.科技视界,2016(04):168,214.6王福军.计算流体动力学-CFD 软件原理应用M.北京:清华大学出版社,2004.7丁欣硕,焦楠.Fluent14.5 流体仿真计算从入门到精通M.北京:清华大学出版社,2014.8唐家鹏.FLUENT14.0 超级学习手册M.北京:人民邮电出版社,2013.8电气防爆 2023 年 6 月第 3 期