PDF《外壳水冷式隔爆型电动机冷却水路有限元分析》

第16 卷第7期2012 年7月电机与控制学报ELECTRIC MACHINES AND CONTROL Vol.

16 No.

7 July

2012 外壳水冷式隔爆型电动机冷却水路有限元分析 何惠明

1 , 白保东

1 , 王禹

1 , 肖红

2 , 杨晓洲

2 , 范作智

2 ( 1. 沈阳工业大学 电气工程学院,辽宁 沈阳 110870;

2. 抚顺煤矿电机制造有限责任公司,辽宁 抚顺 113122) 摘要: 煤矿井下用外壳水冷式隔爆电动机在使用过程中电动机外壳容易变形, 无法从机组中抽 出, 影响电机的更换和机组维护.针对此问题, 提出了在外水套增加小孔塞焊点的解决方案, 基于 弹性力学基本方程及有限元分析方法, 应用 SolidWorks 的COSMOSXpress 软件, 分别计算了 3. 0MPa 水压下传统式冷却水套和带有小孔塞焊点新型冷却水套的应力及形变;

对增加小孔塞焊点 的新型冷却水套及传统冷却水套分别进行了水压实验, 新型外水套形变明显减小.实验结果与仿 真结果具有一致性, 证明了增加小孔塞焊点减小外水套应力及形变的有效性.增加小孔塞焊点的 新型外水套冷却结构可以适应较高水压以达到增加电机散热效果的目的. 关键词: 有限元分析;

冷却系统;

形变;

应力分析;

隔爆 中图分类号: TM

357 文献标志码: A 文章编号: 1007- 449X( 2012) 07- 0040-

05 FEM analysis of water- cooling channel for water- cooling flameproof motor HE Hui- ming1 , BAI Bao- dong1 , WANG Yu1 , XIAO Hong2 , YANG Xiao- zhou2 , FAN Zuo- zhi2 ( 1. School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China;

2. Fushun Coal Mining Motor Manufacturing LTD. Fushun 113122,China) Abstract: The coal mining water- cooling flameproof motor cannot be drawn out from the motor unit because of deformation of its shell,which makes it difficult to change the motor and maintain the motor unit. The method of adding keyhole caulk weld spots on the outer cooling water jacket was proposed to solve the prob- lem. Based on the elasticity mechanics equations and the principle of finite element method,the stresses and the deformations of the traditional outer cooling water jacket and the outer cooling water jacket with keyhole caulk weld spots were calculated separately in 3.

0 MPa hydraulic pressure by Solid Works COSMO- SXpress finite element analysis method. Water press experiments of the two cooling water jackets were im- plemented. Obviously,the stress and the deformation of the new cooling water jacket were lower. The ex- perimental result is consistent with the simulation results. It is effective to reduce the stress and the deform- ation of the cooling water jacket by adding the keyhole caulk weld spots. The new high strength type of wa- ter- cooling structure can adapt the high hydraulic pressure to increase the heat release. Key words: finite element analyses;

cooling system;

deformation;

stress analysis;

flameproof 收稿日期:

2011 -

09 -

28 基金项目: 辽宁省教育厅

2007 年度创新团队项目基金( 2007T123) 作者简介: 何惠明( 1957―) , 男, 博士研究生, 总工程师, 研究方向为矿用隔爆电机设计及制造;

白保东( 1955―) , 男, 博士, 教授, 博士生导师, 研究方向为变压器、 特种电机设计制造机电磁场计算;

王禹( 1987―) , 男, 硕士研究生, 研究方向为一体式隔爆电机问题;

肖红( 1975―) , 女, 本科, 高级工程师, 研究方向为矿用隔爆电机设计;

杨晓洲( 1963―) , 男, 工程硕士, 教授研究员级高工, 研究方向为矿用隔爆电机设计及制造;

范作智( 1960―) , 男, 本科, 教授研究员级高工, 研究方向为矿用隔爆电机设计及制造. 通讯作者: 王禹0引言煤矿井下用隔爆型三相异步电动机的常用冷却 结构有两种: 一种是外壳风冷式结构( IC0141) , 其 中典型结构 Y 系列、 YB 系列、 YBK 系列结构, 其设 计已 日益成熟、 完善.另一种是外壳水冷式结构[1 -

2 ] .近年来井下用电动机发展很快, 功率不断 增大、 体积不断减小, 使得电磁方案计算中电磁负载 选取较高, 必将带来电动机的发热增加, 因此需要一 种有效的结构将电动机运行过程中产生的多余热量 带走, 而外壳水冷却结构是一种较为理想的结构. 传统的外壳水冷结构电动机在使用过程中易出现外 水套 鼓包 现象, 使电动机无法从设备中取出, 造 成电动机维护、 更换困难.经分析出现 鼓包 现象 的原因主要有两方面: 一方面, 电动机使用过程中冷 却水压力超出电动机铭牌要求的冷却水压力规定数 值, 从而造成了外水套变形;

另一方面, 个别产品受 尺寸限制外水套壁厚较薄、 强度较低, 虽然经过 4. 5MPa 的水压试验, 但如果实际中有水压超高情 况, 就易发生变形. 有限元法是求解弹性力学问题的经典方法将其 应用于虚拟技术并通过恰当的参数调节可以构造出 几何与物理上都较为精确的模型 [3 -

4 ] .Solid Works 是一种基于 Windows 操作平台的三维设计软件, 具 有基于特征的参数化实体造型、 复杂曲面造型、 实体 与曲面融合、 基于约束的装配造型等一系列先进的 三维设计功能及工具.可以根据有限元法使用 线 性静态分析 来计算电机冷却结构的应力 [5 -

7 ] .针 对上述问题, 本文采用 Solid Works 中COMSXpress 有限元软件进行外水套强度计算, 并对外水套进行 改进设计, 开发出新型外水套结构, 避免外水套 鼓包 现象发生.

1 空间应变问题基本方程 1.

1 空间应变问题几何方程 在弹性体内任取一点 P, 在该点取一微正六面 体, 沿x向、 y 向及 z 向微线段长度分别为 dx、 dy 和dz, X、 Y 和Z为作用于弹性体上沿 x、 y 和z方向上 的均匀分布体力, 如图

1 所示.其中 σx 、 σy 、 σz 为x、 y 和z方向正应力, τxy 为作用于 x =

0 面y轴方向 的切应力, τxy 、 τyz 等同理不再复述. 根据静立平衡关系, 以x轴为投影轴列平衡方 程∑X = 0, 同理∑Y = 0, ∑Z = 0, 则空间应变问题的 平衡微分方程为 σx x + τyz y + τzx z + X = 0, τxy x + σy y + τzy z + Y = 0, τxz x + τxz y + σz z + Z =

0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? . ( 1) 空间应变问题的平衡微分方程为 εx = u x , γxy = u y + v x , εy = u y , γyz = v z + w y , εz = w z , γzx = u z + w x ? ? ? ? ? ? ? ? ? . ( 2) 式中: εx 、 εy 、 εz 分别为 x、 y 和z方向的正应变;

γxy 为x、 y 方向间的直角该 变量即xy 平面的切应变, γyz 、 γzx . 子zy+ 坠子zy 坠z dz 子z+ 坠滓z 坠z dz 子zx+ 坠子zx 坠z dz Z Y X 滓x,滓yx,滓zx 滓y,子xy,子zy 滓z,子xz,子yz 子xz+ 坠子xz 坠x dx 滓x+ 坠滓x 坠x dx 子xy+ 坠子zy 坠x dz 滓y+ 坠滓x 坠y dy 子yz+ 坠子yz 坠y dz 子yx+ 坠子yx 坠y dy 图1微元受力分析示意图 Fig.

1 Force analysis of element 1.

2 应变问题的物理方程 由材料力学的广义胡克定律有 εx =

1 E [ σx - μ( σy + σz ) ] , γxy = τxy G , εy =

1 E [ σy - μ( σx + σz ) ] , γyz = τyz G , εz =

1 E [ σz - μ( σx + σy ) ] , γxz = τxz G ? ? ? ? ? ? ? ? ? . ( 3) 式中: E 为弹性模量;

G 为切变模量;

μ 为泊松比. 1.

3 边界条件 在边界 S 上给定约束的位移分量, 根据所分析 模型的结构特点, 边界完全固定, 边界上的位移函数 应该满足 [8 -

10 ] ( u) s = 0, ( v) s = 0, ( w) s =

0 } . ( 4)

1 4 第7期何惠明等: 外壳水冷式隔爆型电动机冷却水路有限元分析

2 电动机水路结构模型 2.

1 电动机外壳水冷却结构 传统的冷却水路加工过程中首先车制内水套, 在指定位置焊接使冷却水按要求流动的折流筋, 均 布摆放, 一般为

12 ~

16 根, 组焊后车好外径;

然后使 外水套内径与内水套外径过盈配合, 车制外水套;

最 后采用外水套热装工艺, 靠一端止口定位来组装内、 外水套, 形成图

2 所示的外壳冷却水路结构 [11 -

13 ] . 传感器安装座 外水套 内水套 水路腔体 图2水冷却结构示意图 Fig.

2 Diagram of the cooling water jacket 2.

2 分析方法 本电动机整体结构如图

3 所示, 冷却水套结构 中, 内水套与定子铁芯相接触面积较大, 强度较好;

但外水套仅折流筋处与内水套相接触, 其余部分受 水路冷却水压力影响会较大, 较易产生变形. 图3电动机整体结构示意图 Fig.

3 Diagram of the motor structure 如果电动机使用过程中水道压力过高或结构设 计强度不够, 那么首先外水道会发生变形.因此, 可 以把分析模形进行简化, 模拟外水套的受力情况, 进 行电动机 鼓包 现象的分析.

3 冷却水路应力及形变分析 选择三维设计软件 SolidWorks, 对零件进行实 体建模分析.将原焊接在内水套上的支撑筋形状在 外水套内部建模, 高度为

1 mm, 做施加载荷的固定 面, 电机水路结构简化模型如图

4 所示.隔爆型电 动机机壳材质采用普通碳素结构钢 Q235 - A, 材料 的主要物理属性: 弹性模量

210 000 N/mm2 ;

泊松比 0. 28;

密度 0.

007 8 g /mm3 ;

屈服力 220.

6 N/mm2 . 图4水套结构简化模型 Fig.

4 Simplified model of the cooling water jacket 机壳组焊时应将外水套与内水套在两端面处焊 牢, 因此在外水套与内水套实际组焊处, 加固定约 束, 如图

5 所示. 图5施加约束 Fig.

5 Applied constraints 煤矿井下输送机用隔爆型电动机冷却水工作压 力不超过 3.

0 MPa[14 ] , 并且冷却水流量按体积也要 不小于规定值.因此, 在外水套内壁( 不包括折流 筋面积) , 施加载荷 3.

0 MPa 压力, 如图

6 所示. 图6施加载荷 Fig.

6 Applied load 生成受力云图, 如图

7 所示, 可以看出外水套各 部分所受应力较大, 发生了严重变形.因此要对水 套结构进行改进, 在外水套与折流筋重合位置, 加工 数排均布的小孔, 当电动机外水套与内水套热装后, 将外水套上的小孔与折流筋焊接牢固.重复以上步 骤分析外水套受力情况, 将小孔处设为固定约束, 如图8所示.经计算得到添加小孔塞焊点后的受力云 图, 如图

9 所示.

2 4 电机与控制学报第16 卷图7外水套受力云图 Fig.

7 Stress cloud chart of the traditional outer cooling water jacket 图8新型外水套约束分布图 Fig.

8 Constraints distribution of the novel outer cooling water jacket 图9新型外水套受力云图 Fig.

9 Stress cloud chart of novel outer cooling water jacket 从两次分析可看出, 不加小孔塞焊点结构最大 应力为 6.

5 *

107 N/mm2 , 加小孔塞焊点结构最大应 力为 5.

0 *

107 N/mm2 , 最大应力降低了 23. 07% , 应 力可靠性得到了明显增加, 可看出增加小孔塞焊点 后, 外水道的应力明显减小, 形变情况明显改善. 由冷却水路加工过程可知传统的外水套固定约 束间距离 l 为水套轴向长, 改进设计后的外水套固 定约束间的距离变为两折流筋即两排小孔塞焊点间 的距离, 明显减小.水套受力分析如图

10 所示, 由式( 5) 可以得出当 x = l

2 时, 弯矩最大值为 M = ql2

4 , 因此当 l 减小时最大弯矩减小, 水套的形变减小, 与 仿真结果相符. - RAx + qx x

2 + M( x) = 0, M( x) = ql

2 x - q

2 x2 } . ( 5) 式中: M( x) 为距离左端 x 处的弯矩;

q 为均布载荷;

RA、 RB 为约束力;

与l为固定约束间的距离. RA RB l x q 图10 外水套受力分析 Fig.

10 Force analysis of the outer cooling water jacket

4 实验结果及分析 使用过程中出现机壳 鼓包 现........