摘 要:角振动台是产生回转式振动激励的装置,其设计制造的关键问题是激磁磁场的产生,但电磁线圈会造成大量的损耗,由此产生的热量会影响被校传感器的测量精度。本文采用有限元分析软件ANSYS,对某角振动台的电磁部分产生的热源进行了分析,验证了振动台的发热达标情况,整个分析的结论为台体散热设计提供依据。
1 引 言
角振动台是角振动校准装置中用于对被校传感器进行角振动激励的装置,其产生的环境温度变化会影响被校传感器的测量精度。激振电机的工作,必然会产生铜损耗和铁损耗,故为提高电机散热效果,有必要对激磁电机进行热场的分析。
2 高频标准角振动台
2·1 高频标准角振动台工作原理
本文所分析的高频标准角振动台如图1所示,主要由台面、支撑弹簧、框式动圈、激磁线圈和激磁回路组成,该系统具有摩擦小、电磁干扰低、回转精度高、负载惯量大的特点,其设计最高频率为500Hz。
该结构与电机类似,可以简化为由定子和动子两部分组成。其中定子又分为内定子和外定子两部分,是产生激振电磁力的主磁路;外定子上两边又各有一组激磁线圈,共同构成了激磁系统。角振动台实际上为一个扭转弹簧惯性系统,工作过程为激磁系统的受迫振动,而激磁力的产生必然伴随损耗的生成,这也是本文研究的出发点。
2·2 计算内容
激磁线圈产生的热量,在台体内部通风条件有限的情况下,壳体温升要求不大于30℃。
根据全电流定律,导体或线圈通电后,建立磁场,沿任意闭合路径上磁场强度的线积分,就等于穿过该闭合路径内的导体电流的代数和。通过电机电磁计算,要达到气隙磁通0·60T的要求,则激磁总磁势为ΣI=8500A。
由F总=Ij×Wj,其中激磁绕组总匝数Wj为1062匝。气隙磁势F总=∑F=8500A,得激磁电流Ij=8·0A。已知线圈总电阻为3·33Ω,得到激磁绕组电压U=8·0×3·33=26·6V。
3 热场有限元分析
ANSYS软件是一个融结构、流体、电场、磁场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它从基于实际尺寸的结构体,通过二维或三维来建立模型进行分析。本文所有的分析都是基于三维建模进行的。
通常的有限元分析过程由前处理、施加载荷求解和后处理等环节组成。其中,前处理的步骤有:分析环境设置;定义单元及材料类型;建立几何模型;网格划分;定义边界条件和约束等。施加载荷和求解的步骤有:定义载荷信息;指定分析类型和分析选项;执行求解等。后处理则包括对求解结果的各种统计和运算,如绘制矢量图、云图,观察指定位置的数值等操作[1]。
振动台的激磁绕组产生的是恒定磁场,不会引起磁路的涡流和磁滞损耗等,故在壳体内部只有激磁绕组和转子绕组的铜损耗会以发热的形式释放出来。振动台内部产生的热量与其各表面散发的热量平衡时,达到稳定工作温度。而转子部分的绕组由于有独立的通风装置,在此分析中只把定子绕组当作热源,只考虑其定子、壳体和激磁绕组部分的热场分布。激磁绕组损耗:
仿真中不同部分的热对流系数等采用一般经验的参数,见表1。
其中壳体内部对流空气取40℃。40℃为多次分析所得合理值,在初次计算假定某对流温度后,若分析得出最终平衡温度与此不符合,需要调整对流空气的温度值,直到与计算所得平衡温度基本一致,认为在此温度状态可以达到热平衡。
3·1 定义单元及材料类型
定义分析过程中要用到的有限元单元为SOL-ID87,为3维单元模块,六面体10节点,其自由度为温度,可以进行热场分析。
本分析用到的材料是定子铁芯和壳体的10号钢以及通电线圈的铜,需要分别给定其热传导率,10号钢为48W/m·℃,铜为106W/m·℃。
3·2 建立几何模型与网格划分
根据内外定子实际尺寸建立模型。对模型的建立,部分不规则形状采用“自底向上”的方法,即由关键点生成线,由线组成面,由面拉伸成体;另一部分规则形状,如圆筒外壳等,可以直接生成体。另外要注意对空气的处理,空气分为两部分,壳体内部空气和外部空气,其中外部空气要建立成包裹住整个结构的圆柱体。建立好的几何模型如图2所示。
需要注意:在热场分析中,励磁线圈是发热源,需要对它建模;同时,未对空气建模,忽略了空气的导热能力和辐射作用,只把空气作为铁芯和铜线圈对流的边界条件;通过空气与发热线圈接触的内定子铁芯也未在模型之内。
利用智能网格划分工具对已有模型进行剖分,精度为3等级,形状为4面体,如图3所示。
3·3 定义边界条件和载荷信息
在热场分析的过程中需要用到温度和边界的对流系数两种边界条件。本分析中取环境温度为不变的25℃,边界的对流系数如前所述。
对热源的加载采用生热率的方式,即单位体积的功率。由之前的计算分析可得,励磁部分功率为214W,同时,根据实际形状尺寸计算4个线圈的有效体积,为0·00379 m3,由此可得生热率为214/0·00379=56465 W/m3。利用载荷加载工具将此生热率值加至4个线圈上。
3·4 求解和后处理
采用云图观察截面,可得热场分布图如图4所示,各部分温度见表2。
由图4和表2可以看出,大线圈温度最高,通过接触的铁芯,经壳体可以得到良好的散热。在内部的流动空气为40℃的情况下,外部壳体的温度没有太多升高。
4 结 论
激磁线圈通入以上电流时,在通风条件有限的情况下,能保证内部最高温度为43℃左右,而如果能加入适当通风措施后,会使这个温度进一步降低。而外部壳体的温度几乎没有太多的升高,可以满足温升不大于30℃的要求,不会造成由于温度过高引起的绝缘损坏,以及由于温度过高引起的测试系统精度的变化。
参考文献
[1] 唐兴伦,范群波,张朝晖,等.ANSYS工程应用教程-热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.
[2] 吴恒颛.电机常用材料手册[M].西安:西科学技术出版社,2001.
本文作者：邵新慧 王自强 薛景峰 邵 林 李 莉
