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FLOTHERM在电梯电机中的应用及实例分析


FLOTHERM 深入应用及实例分析
随着曳引机技术的不断提高,大功率重载荷曳引机已逐步成为高速电梯发展的推动者。 曳引机功率在不断提升,而体积不能同比放大,最终导致线圈功率密度的提高。为保证曳引 机在容许的降额温度下可靠平稳运行, 热设计在曳引机开发初期更具有重要性和必要性。 本 文针对自主开发的 LEHY 曳引机综合运用 NX UG 和 FLOTHERM 进行热分析

,为今后开发 大功率曳引机进行热设计时扫除技术障碍。 NX UG 软件具有强大的三维参数化设计功能,对建立较为复杂的模型(如曳引机机座 等) 操作便捷、直观且准确。FLOTHERM 软件是专业针对电子设备进行热分析的工程软件, 其与 UG 软件结合使用,以弥补 FLOTHERM 软件模型建立以及前处理的缺陷。实现热分析 效率和准确性的综合提高。

1 建立模型
虽然在 FLOTHERM 软件中也可以建立三维模型,但由于其建模基本元素较少、方法单 一且实体特征坐标定位复杂等原因,导致 FLOTHERM 软件的建模效率和准确性大大降低。 因此,通过专业机械设计软件 UG 可以方便、快捷地获得所需的结构模型,并且保证模型的 装配位置关系。再通过其 MCAD 模块的数据传输接口将 UG 三维模型导入到 FLOTHERM 前处理器中, 为模型进行热分析的前处理工作带来极大的方便。 详细模型建立和数据转换过 程见图 1 所示。 图 1 模型建立和数据转换过程 将模型导入到 FLOTHERM 软件过程中应注意以下几方面: ① 合理简化模型。在建立 UG 模型时,应先将分析对象分解为多个基本体元素(如圆 形体、方形体) ,并按照装配位置关系逐一建立模型。对于不必要的小细节(如圆孔、倒角、 凸台等)应尽可能地忽略(如图 2 所示) 。这样在略微降低仿真精度的情况下,可以大幅减 少模型网格数量,极大地提高计算效率。

② 直接接触的两模型边界之间应无间隙。在 FLOTHERM 软件中对圆弧面实体采用多 个六面体构建而成,因此,在模型边界之间不可避免的产生间隙,如图 3 所示。可采用实体 重叠的方式解决间隙问题,如图 4 所示。 ③ 模型检查及精度调节。将 UG 模型导入到 FLOTHERM 软件中的 MCAD 模块之后, 先进行模型转换(建议采用 step,iges 等兼容性较好的格式) 。然后必须仔细检查模型外观 或使用工具检查模型是否存在缺失或异变。 如图 5 所示, 可通过精度调节工具选择适宜精度

的模型。模型精度太高会导致计算耗时增加,精度太低则模型失真严重。

2 热分析前处理
FLOTHERM 热分析前处理主要包括环境设置、材料赋值、热功率设定、网格划分等方 面。

2.1 环境设置
根据分析模型的特点,定义求解域大小、环境温度、重力方向以及流体参数等。在曳引 机热设计中,其散热介质主要是空气。则空气参数值的设定见表 1。 表 1 空气的热物理性质 环境温度 密度 比热 传热系数 粘度

t ?℃?
0 10 20 30 40

? ? kg / m3 ?
1.293 1.247 1.205 1.165 1.128

c p ? J / kg ? K ?
1005 1005 1005 1005 1005

? ?W / m ? K ?
0.0244 0.0251 0.0259 0.0267 0.0276

? ? N ? s / m2 ?
1.72×10-5 1.76×10-5 1.81×10-5 1.86×10-5 1.91×10-5

注:表格中数据引自《传热学》第三版附录 2。

2.2 材料赋值
在对模型中的每个组成部件赋予材料特性之前,建议将相同材质的部件归属同一组中, 以方便设置,提高操作效率。FLOTHERM 软件提供了丰富的材料资源库,或通过查询参考 资料为部件施加材料特性。曳引机热设计所常用的材料见表 2。 表 2 常用材料的物理性质 材料 纯铜 纯铁 碳钢 铸铁 硅钢片 线圈绝 缘层 密度 比热 传热系数 发射率 表面无漆层 0.1 0.1 0.1 0.6 0.4 0.9 表面有漆层 0.4 0.8 0.8 0.8

? ? kg / m3 ?
8954 7833 7833 7272 2330 1600

c p ? J / kg ? K ?
384 465 465 420 480 1350

? ?W / m ? K ?
398 73 54 52 15 0.14

注:表格中数据部分引自《传热学》第三版附录 7 和附录 9。

2.3 热功率设定
曳引机发热源绝大部分来自于定子线圈的热损耗, 而定子线圈本身是采用铜线嵌绕而成 (如图所示) 。因此,真实绘制实体模型并进行热分析是一项极为困难的工作。若使用近似 的空心圆环以代替线圈的方法,既方便又不失热分析的准确性。 (如图所示) 。

2.4 网格划分
FLOTHERM 软件自带有网格划分功能,对分析求解域采用有限单元法实现网格的快速 划分。因而,不会出现因部件结构复杂而无法划分网格的情况。对于局部细节或者重要关注 区域可采用增加 Region 区域块局部提高网格密度的方法。如图所示。

3 热分析后处理
FLOTHERM 软件具有功能丰富、简单直观的后处理器。通过温度场分布云图,可以掌 握系统的全部温度梯度,最高、最低温度等信息。通过速度矢量分布图,可以了解求解域内 流体流动情况、各部件间的相互影响关系等信息。从而根据整体温升情况,对系统结构做出 相应调整,并重新提交分析计算,最终获得最佳的设计方案。图 11~13 为曳引机和制动器 温度场云图。

4 热分析结果与试验数据对比
以部分自主开发的曳引机和制动器产品为例进行 FLOTHERM 有限元热分析, 并与产品 的型式试验结果作对比。可以看出,分析模型简化合理,材料参数、环境参数设定准确,仿 真计算结果与实际相比误差在 10%以内。

4.1 曳引机热分析结果与试验数据对比
根据曳引机工作制(S1)的特点,仿真类型应选用瞬态分析。对于不带风扇的曳引机 结构,必须考虑热辐射的影响。 【仿真对象】 LEHY-H 曳引机(不带风扇)

【环境、材料以及热功率参数】 环境温度: tambiet ? 25 ℃ 25℃空气热物理性质:查表 1 可得 材料热物理性质:查表 2 可得 热功率: Qheat ? 3837 W 【热分析结果与试验数据对比】 冷态环境温度 ?℃? 试验结果 仿真结果 25 27 热态环境温度 ?℃? 27 27 线圈温升 最高温度 ?℃? 70.5 电机外壳 ?℃? 31.5

?K ?

43.5

注:试验数据摘自《ZPML-G660 曳引机(单体)试验报告》 【仿真对象】 LEHY-IIW 曳引机(28kW 曳引机) 【环境、材料以及热功率参数】 环境温度: tambiet ? 30 ℃ 30℃空气热物理性质:查表 1 可得 材料热物理性质:查表 2 可得 热功率: Qheat ? 2714 W 【热分析结果与试验数据对比】 冷态环境温度 ?℃? 试验结果 仿真结果 29 30 热态环境温度 ?℃? 30 30 线圈温升 最高温度 ?℃? 97.7 电机外壳 ?℃? 82.7

?K ?

67.7

注:试验数据摘自《ZPML-H280 曳引机(单体)试验报告》

4.2 制动器热分析结果与试验数据对比
根据制动器温升试验时的工作制特点, 仿真类型应选用稳态分析, 并使用平均发热功率 代替工作周期为 210 次/小时,通电持续率 40%的周期性发热功率。仍然考虑热辐射的影响。 【仿真对象】 鼓式制动器 【环境、材料以及热功率参数】 环境温度: tambiet ? 20 ℃ 20℃空气热物理性质:查表 1 可得 材料热物理性质:查表 2 可得

热功率: Qheat ? 51.3 W 【热分析结果与试验结果对比】 冷态环境温度 ?℃? 试验结果 仿真结果 20 20 热态环境温度 ?℃? 20 20 线圈温升 最高温度 ?℃? 73.5 75.5

?K ?

53.5 55.5

注:试验数据摘自《19.8kW PM 曳引机型式试验报告》

5 总结
充分利用 NX UG 软件和 FLOTHERM 软件各自的强大功能特点,实现快速对系统方案 进行热仿真计算优化的目的,进而对产品提出更合理的结构设计,缩短产品的研发周期。


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