【文章內(nèi)容簡介】 聯(lián)而引起的非平穩(wěn)運行中的動力學(xué)規(guī)律。 高速電機溫度場有限元研究現(xiàn)狀電機的運行損耗不僅降低工作效率，還加劇內(nèi)部溫升并限制輸出。采用有限元法（FEM）求解電機溫度場已成為成熟的工程分析手段。 等 [19]首次將三維有限元法用于汽輪發(fā)電機定子鐵心的傳熱分析，但未就定子繞組與鐵心的等效熱導(dǎo)進行討論。岑理章 [20]在研究定子鐵心溫度分布時，充分考慮了繞組與鐵心的等效熱導(dǎo)，在建立熱模型和確定熱導(dǎo)的基礎(chǔ)上進行了計算，并繪出了電機鐵心切片三維等溫線圖。Jokine 等 [21]建立了冷卻劑流動的熱網(wǎng)絡(luò)模型，并將其施加到高速電機和標(biāo)準(zhǔn)電機進行試驗，結(jié)果與計算基本符合。Siyambalapitiya[22]建立了一個基于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)電熱分析的三維有限元模型，以檢測電機堵轉(zhuǎn)工況下電機的熱特性，該研究給出了導(dǎo)條和端環(huán)關(guān)鍵位置的熱分布。李偉力等 [23,24]基于有限元法求解轉(zhuǎn)子溫度極值時，考慮了匝間絕緣的因素，更精確地描述了絕緣對溫度分布的影響；在求解定子溫度分布時，計及了不同氣隙散熱系數(shù)下股間絕緣的影響因素。D. A. Gerlando[25]給出了基于溫度場的異步電機繞組建模過程，并計算出了關(guān)鍵節(jié)點的溫度分布和溫升曲線。 [26]等建立4了一個基于非對稱載荷下，內(nèi)置間接冷卻系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的穩(wěn)、瞬態(tài)熱模型，該模型計算時考慮了主磁場和高次諧波場在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的損耗。M. Shanel [27]等基于流體動力學(xué)研究了某電機系統(tǒng)中空氣流動和對流換熱的特性，并考慮了湍流狀態(tài)的影響。Austin H. Bon[28]則在前人對電機溫度場研究的基礎(chǔ)上，回顧了IEEE 中全封閉式自扇冷卻式標(biāo)準(zhǔn)電機的運行溫度和各種性能特點，指出電機溫度場分布對于電機定子、轉(zhuǎn)子、軸承、潤滑和效率等特性影響明顯。C. C. Hwang[29]等人提出了一種基于三維穩(wěn)、瞬態(tài)熱流方程的有限元熱模型，并引入溫度—時間函數(shù)的方法來定量描述電機各部分的功率損耗，試驗結(jié)果驗證了該有限元方法的有效性和準(zhǔn)確性。李偉力等 [30]基于流體相似理論分析了具有軸向和徑向散熱結(jié)構(gòu)的電機定子溫度分布，并計及了繞組股線絕緣的因素，還對影響定子溫度分布的其他因素進行了數(shù)值模擬。侯云鵬等 [31]推導(dǎo)出了定子徑向通風(fēng)溝表面系數(shù)的計算公式，并采用了兩種不同有限單元求解了某發(fā)電機定子溫度分布，并基于數(shù)值模擬的方法對其他影響因素進行了分析。張新波 [32]引入了氣體熱流的概念，基于導(dǎo)熱的有限差分法，對電機溫度場和空氣溫度場進行了耦合求解。 最近十年來，國內(nèi)外學(xué)者對溫度場的研究主要集中在討論整體溫度分布、關(guān)鍵點溫升特性和影響溫升的非線性因素方面。S. L. Ho[33]等引入時步有限元法對帶間接負載的感應(yīng)電機溫升進行了分析。這種分析方法考慮了飽和度、渦流和高次諧波的影響，其計算的功率損耗也高次諧波的雜散損耗。丁文和周會軍等 [34]給出了開關(guān)磁阻電機熱源、冷卻風(fēng)道換熱系數(shù)和定子線圈等效熱導(dǎo)的計算公式，并對定、轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度場進行了仿真分析。Trigeol [35]等基于節(jié)點法分別建立了電機末端空腔對流換熱模型，并進行了溫度場分析?；舴频?[36]根據(jù)電機結(jié)構(gòu)特點，給出了屏蔽套對流換熱系數(shù)計算，分別建立了端部和定子槽的模型，對電機二維、三維溫度場進行了有限元求解。Staton D A 等 [37]基于對表面幾何形狀和冷卻形式的選擇，提出了用以預(yù)測電機對流冷卻效果和流體特性的計算方法，并應(yīng)用無量綱的經(jīng)驗公式計算對流換熱。Liwei Song 等 [38]綜合了仿真和實驗的方法來確定隨時間變化的熱邊界條件和分析熱源，并建立了一種用以計算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場的三維模型。李偉力等 [39,40]針對無內(nèi)置冷卻裝置的電機溫度場，引入了等效熱傳導(dǎo)方式簡化了定、轉(zhuǎn)子與氣隙的對流換熱問題，耦合了定轉(zhuǎn)子溫度場的求解問題，并給出了氣隙溫升特性求解結(jié)果。Li Cuiping 等 [41]建立了水冷電機的三維穩(wěn)態(tài)溫度場模型，同時引入了有效熱導(dǎo)率用以簡化氣隙處復(fù)雜的傳熱過程。仿真結(jié)果顯示電機的最高溫點在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿軸向的剖面內(nèi)部，實驗研究驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對電機溫度場的研究已逐步從單獨求解定子或轉(zhuǎn)子溫度場轉(zhuǎn)向了定、轉(zhuǎn)子溫度場同時聯(lián)立求解。同時，由于具體的研究剖面不同，二1 緒 論5維分析常忽略了端部空腔和沿軸向的傳熱因素，往往導(dǎo)致計算結(jié)果高于實際溫度值。為準(zhǔn)確獲取電機溫度分布，應(yīng)根據(jù)高速電機實際工況，并考慮氣隙處復(fù)雜的對流換熱條件和相關(guān)非線性因素，建立電機三維整體熱模型，實現(xiàn)對高速電主軸異步電機溫升特性的研究。 高速電主軸系統(tǒng)熱特性研究現(xiàn)狀在高速運轉(zhuǎn)條件下，主軸單元的熱特性直接影響其動力學(xué)輸出，因此研究并最終獲取良好的系統(tǒng)熱特性已成為機床制造業(yè)的主要工作。國際上，Lunderg 等 [42]基于實驗方法提出的摩擦力矩經(jīng)驗公式已成為軸承摩擦熱計算的基本求解式。Bernd Bossmanns 等 [43,44]基于功率流的原理建立了主軸熱力學(xué)模型，計算了熱傳遞系數(shù)，還進一步研究了功率損耗的原理和機制，給出了定量計算方法。Li Hongqi 等 [45]的研究結(jié)果表明軸承配置方式影響主軸的動力學(xué)參數(shù)，預(yù)緊方式的不同導(dǎo)致軸承外圈溫度的差異。Li Hongqi 和 Shin Y C[46]建立的熱模型通過軸承配置中的熱位移和系統(tǒng)內(nèi)部傳熱與電主軸動態(tài)模型進行耦合，并對軸承熱位移和相應(yīng)的運行參數(shù)進行了求解。Holkup 等 [47]建立的熱結(jié)構(gòu)模型，對主電軸溫度分布和熱變形等特性進行了定量分析。Yuzhong Cao[48]提出主軸溫度不均勻分布已成為影響電主軸動力學(xué)參數(shù)的重要因素。C. H. Chien 等 [49]求解了主軸螺旋冷卻水套中流體狀態(tài)和溫度場，并進行了試驗驗證，結(jié)果顯示增加水冷式強制對流換熱裝置能極大增強電主軸散熱能力。Igor Alexeevich Zverev 等 [50]基于有限元方法，提出了主軸單元熱模型的求解算法，分析結(jié)果顯示主軸的溫度場分布與主軸運行工況有較大關(guān)聯(lián)。國內(nèi)，何曉亮等 [51]基于節(jié)點網(wǎng)絡(luò)法，建立包括主軸電機、軸承、外殼等主要部件的高速電主軸溫度場整體模型，并進行了綜合熱態(tài)分析。趙海濤等 [52]基于某車削加工中心主軸模型，提出了測量主軸關(guān)鍵點溫升的方法，并推導(dǎo)了等效對流換熱系數(shù)的方法，進行了實驗驗證。曹駿等 [53]基于 ANSYS 建立的某機床主軸的熱模型計及了接觸熱阻等因素，并對熱源和有關(guān)熱參數(shù)的計算方法進行了討論。張明華等 [54]基于分布加載的方法對電主軸熱模型進行了熱結(jié)構(gòu)耦合求解，獲取了熱變形量和溫度分布情況。王保民等 [55]建立的電主軸熱模型基于對系統(tǒng)產(chǎn)熱和熱傳遞的計算，重點對傳熱過程中的非線性因素進行了討論和分析。 本課題研究的目的和研究內(nèi)容本課題的研究目的是通過對主軸電機參數(shù)計算，提出針對高速變頻電機電磁設(shè)計的相關(guān)方法，并通過有限元仿真得到驗證論證；通過對主軸系統(tǒng)發(fā)熱源和熱傳遞機制的分析，提出了精確計算溫度場熱參數(shù)的方法；通過建立主軸電機熱模6型，揭示更準(zhǔn)確的主軸電機溫升規(guī)律，為高速電主軸設(shè)計和溫升研究提供了理論基礎(chǔ)。本文對以下方面進行了討論：①主要介紹了國內(nèi)外異步型高速電主軸電機設(shè)計方法、高速電機溫度場和高速電主軸的研究狀況。②以某轉(zhuǎn)速 30000r/min，額定功率 主軸電機的參數(shù)計算為例，考慮了高次諧波對電機的影響，分別對電機主要尺寸、電磁負荷、定轉(zhuǎn)子槽型、氣隙和繞組、定轉(zhuǎn)子槽數(shù)等電磁參數(shù)進行了分析計算和選取；基于有限元法，建立了瞬態(tài)電磁場模型，對工況進行仿真分析并驗證了設(shè)計方法的可靠性。③基于高速電主軸整體熱流模型理論，建立了主軸系統(tǒng)功率損耗模型；通過電機磁損耗分析，計算了鐵心軛部、齒部磁損耗，還對電損耗、機械損耗進行了計算；另外，討論了主軸軸承的摩擦產(chǎn)熱。 ④基于電機與流體傳熱原理 [56]，在引入相關(guān)假設(shè)的前提下，建立了主軸電機的溫度場求解域模型和定子繞組等效模型，按照熱力學(xué)分析流程對電機內(nèi)部熱傳遞系數(shù)進行了計算，包括：氣隙與定、轉(zhuǎn)子之間的有效熱導(dǎo)率、定子冷卻油套等效換熱系數(shù)、定子末端繞組表面對流換熱系數(shù)、定子末端鐵心表面對流換熱系數(shù)和轉(zhuǎn)子端環(huán)表面和轉(zhuǎn)子末端鐵心表面有效對流換熱系數(shù)；基于對軸承傳熱機制的分析，在引入相關(guān)假設(shè)的前提下，建立了傳熱模型，并對潤滑系統(tǒng)中壓縮空氣與軸承、冷卻油與前軸承冷卻槽的換熱系數(shù)進行了求解。⑤運用有限單元法，在主軸系統(tǒng)發(fā)熱研究和熱傳遞機制分析的基礎(chǔ)上，建立了主軸異步電機溫度場，并進行了瞬態(tài)求解，獲取了電機和主軸關(guān)鍵部分溫度場結(jié)果和溫升曲線；通過對溫升的理學(xué)分析，揭示了電機溫升的變化規(guī)律；提出了改善主軸單元熱性能的方法，為參數(shù)優(yōu)化、動力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。2 高速電主軸異步電機電磁設(shè)計與仿真72 高速電主軸異步電機電磁設(shè)計及仿真 引言高速電主軸通過內(nèi)置電機的方式實現(xiàn)了主軸與系統(tǒng)動力源的“零傳動” 。電主軸的本質(zhì)就是內(nèi)置異步電機。因此為實現(xiàn)高速加工，必須采用非正弦供電的高頻變頻單元來驅(qū)動。以變頻電源驅(qū)動的電機的技術(shù)特點為：輸出波形為非正弦形波；能在從高頻至低頻的寬頻范圍內(nèi)工作。因為驅(qū)動電源中的高次諧波會產(chǎn)生損耗，不僅會降低電機的工作效率，還會導(dǎo)致電機發(fā)熱?？紤]到電機內(nèi)置的結(jié)構(gòu)會削弱系統(tǒng)的散熱能力，進一步加劇溫升，造成絕緣損壞，最終減少電機壽命。同時，系列高次諧波還會產(chǎn)生電磁振動和噪聲等問題。因此，變頻電機的設(shè)計方法與普通電機相比有較大差異。 電磁設(shè)計高速電主軸異步電機應(yīng)用于主軸單元變頻調(diào)速系統(tǒng)中，因此抑制電源輸出的諧波成分是保證電機和調(diào)速系統(tǒng)相匹配的主要工作。本課題將從主要電磁參數(shù)確定、繞組和定轉(zhuǎn)子槽型、槽數(shù)的選取等方面來設(shè)計主軸異步電機，設(shè)計過程中充分考慮了變頻、高速等因素對電機尺寸的影響。 主要尺寸和電磁負荷的選取電機通過氣隙主磁通完成電能與機械能的轉(zhuǎn)換。實踐證明異步電機的主要尺寸為靠近氣隙的定子內(nèi)徑（ ）和鐵心有效長度（ ） ，氣隙為第三個主要尺寸。1iDefl① 電機主要尺寸電機轉(zhuǎn)速、電磁負荷、氣隙磁通密度等參數(shù)的取值直接影響電機設(shè)計的尺寸。主要尺寸關(guān)系式 [57]描述了電機重要電磁參數(shù)對主要尺寸的影響，是電機重要的設(shè)計公式： （）2 ?????式中， 為定子內(nèi)徑，單位 cm； 為鐵心有效長度，單位 cm； 為電勢1i efl EK系數(shù)； 為電機額定功率即軸上輸出的機械功率，單位 kW； 為定子繞組的HP 1dp基波繞組系數(shù)，包括節(jié)距因數(shù) 和分布因數(shù) ； 為氣隙中磁通密度正弦波1p1dB?的峰值，單位為 T；A 為線負荷，單位 A/cm；n 1 為電機同步轉(zhuǎn)速，單位 r/min；為電機效率； 為電機功率因數(shù)。?cos?其中， 、 、 和 可從任務(wù)書中得到； 和 為常數(shù)，由電機設(shè)HP1n?s1dpKE8計經(jīng)驗得到。為了確定主要尺寸 ，必須確定電機的電磁負荷 A 和 。21iefDl B?② 電磁負荷的選取電磁負荷 、 值直接決定有效材料的使用量并與運行參數(shù)、性能和可靠性AB?密切相關(guān)。其選取原則為：1）輸出功率恒定時，在保證良好冷卻條件的前提下，若選擇較大的 、A值，可減小電機體積和相關(guān)尺寸。B?2）若選擇的 值較高，會加大繞組耗銅（或鋁）量。若 恒定，將使電機AB?尺寸減小，導(dǎo)致每極磁通量變小。為保證一定的感應(yīng)電勢，必須增加匝數(shù)（即定子電阻） ，最終會加劇電機溫升。3）選擇的 值較大時，會降低電機效率并增大磁損，即系統(tǒng)散熱能力一定B?時，使溫升加劇。由于電源諧波的影響，總損耗增加了約 30%，效率降低 1%~3%，損耗導(dǎo)致溫度升高。當(dāng)工況和電機輸出相似時，高頻電機溫升普遍比工頻下要高。所以，在電機散熱條件和結(jié)構(gòu)一定的情況下，選擇取值較低的 、 ，可以保證電機在AB?安全的溫升范圍內(nèi)以一定的效率穩(wěn)定運行。由于電機電損耗和磁損耗分別正比于和 ，而電機的效率最高點出現(xiàn)在銅耗和鐵耗相等時，因此，在確定電磁負荷AB?比值時，應(yīng)考慮運行時的效率和功率因數(shù)。一般來說， 一般控制在 左右，?也控制在 左右。240/cm③ 與 之比的確定1iDefl， 確定后， 便可由（）得出，即確定了電機的體積。因此，在體AB?21iefl積確定的情況下，要確定 與 之比。一般來說：iefl極對數(shù) p=2 時， =~；1/if極對數(shù) p=3 時， =~。iefl對于變頻調(diào)速電機，特別是徑向尺寸受限的主軸異步電機來說，宜選擇較小的 。這是由于：1iD1）轉(zhuǎn)子表面線速度 （ 為運行時最高轉(zhuǎn)速，忽略了尺寸的影響） ，1imDn???故 與 呈正比。因此，較小的定子內(nèi)徑便產(chǎn)生較小的離心力。這對于進入高速?i運行取得主軸異步電機尤為有利。2） 小 大，繞組的端部短，端部漏抗、端部雜散損耗、端部銅損及端部1iefl機械應(yīng)力較小。3）本課題為了增強電機的散熱，在定子鐵心處設(shè)計外隔循環(huán)油冷卻結(jié)構(gòu)。因此， 小 大可以增大定子鐵心與冷卻油套的接觸面積和冷卻水道數(shù)，改善1iDefl散熱條件，這對因結(jié)構(gòu)內(nèi)置而產(chǎn)生較高溫升的主軸電機是比較有利的。2 高速電主軸異步電機電磁設(shè)計與仿真94）減小 尺寸， 可降低機械噪聲。1iD雖然 大 小，會增大漏抗值并縮小轉(zhuǎn)子磁軛面積。但考慮到主軸電機結(jié)efl構(gòu)、損耗等條件，較小定子內(nèi)徑是有利的。 定、轉(zhuǎn)子槽型的確定定、轉(zhuǎn)子槽型影響電機性能，其確定主要取決于繞組線圈的類型。① 定子槽型設(shè)計由于集膚效應(yīng)的作用，電機在高頻運行時，定子繞組的交流電阻迅速增大。因此，為減小電阻值，主軸電機應(yīng)選用圓導(dǎo)線繞成的散嵌繞組。為了繞線方便，定子槽型一般選用半閉口梨形槽 [2,4]。同時為削弱高次諧波，提高功率因數(shù)，應(yīng)增大槽漏抗，所以將定子槽設(shè)計