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1、基于 MARC 的铸铁散热片热机耦合分析刘浩，冯超北京交通大学 机械与电子控制工程学院摘 要：利用 MARC 的热分析和热机耦合分析功能，对铸铁机壳电机的散热片进行温度分布，热梯度，热流量的计算。通过与实验数据进行对比，证明方法的可行性和准确性。关键词：铸铁机壳;散热片;有限元;热机耦合分析Abstract：In this article,MARC is used in the analysis of the heat sinks of cast iron cabinet because of its useful function of thermal analysis and heat c
2、oupling analysis.Temperature distribution,thermal gradient,thermal flow and mechanical deformation will be calculated.By the comparison of the calculation and the experimental data,the feasibility and accuracy of the method will be proved.Key words: cast iron cabinet;heat sinks;FE ;thermal analysis0
3、 引言在工程实际中电机是一个将电能和机械能互相转换的装置，其在运行中不可避免地会产生损耗，这些损耗将转化成热能，使得电机的温度升高。理论研究表明，电机绕组温度超过绝缘等级最大温度 10，其绝缘寿命就会减少一半，可见电机的温升是影响电机工作的重要性能指标。1 原理虽然电机并不是均质物体，但是其发热与散热过程与均质物体相似。在研究电机的发热和散热过程中，我们可以假设其为均质物体，在均匀物体的发热过程中，温升随时间变化是指数曲线关系，如图 1 所示。图 1 均匀物体的发热曲线图 1 中横坐标 t 代表时间，纵坐标 代表温升。电机的发热也遵循图 1 的规律，开T始时温度上升较快，随着时间的变化，电机温
4、度增加，周围介质所吸收的热量也逐渐增加，直至电机在单位时间内所产生的热量全部被周围介质吸收，电机自身的温度便不再增加，达到稳定状态。工程实践中，都希望电机到达温度不变的时刻早一些，可见，增加电机的散热能力是降低电机温升，缩短到达稳态温度时间的有效途径之一。大多数采用铸铁材料作为机壳的电机散热途径是热传递和对流换热，其过程是定子铁心通过热传递的方式将热传递给机壳，然后在机壳表面及散热片的作用下通过对流换热的方式将机壳的热散发于空气中。一般铸铁机壳上沿轴向设有散热片，如图 2；也有采用环形散热片的。图 2 带有轴向散热片的电机机壳从铸造工艺性的角度来说，我们希望铸铁机壳散热片排列的越稀、越矮、越厚
5、，但是从散热角度来说，要求其排列密一些、高一些、薄一些。由于模具限制，我们很难更改设计完成的机壳，因此，在这之前的设计计算很重要。有限元技术应用发展之前，对于铸铁机壳的散热分析研究主要依靠样机试验和经验来确定，这带来了很大的不准确性和资源浪费。有限元技术的出现，使得精确分析散热工况成为可能。下面介绍用带有较强热分析功能的有限元分析软件 MARC 对铸铁机壳进行散热分析的方法。在研究电机散热问题时，我们关心的是电机在达到热稳定状态时的温度。从图 1 的曲线我们可以看出，当电机达到稳定状态时电机产生的热量最大，散发于周围介质的热量最多。在分析铸铁机壳散热片温度分布问题时，我们取电机达到热稳定时散热
6、片上的温度分布情况即可，此时通过散热片的热流最多，散热片的散热作用发挥到最大。MARC 稳态传热问题要求分析的系统静热流率为零，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于系统流出的热量。在稳态热分析过程中，系统中任一节点温度不随时间变化，其能量平衡方程为 QTK式中， 为传导矩阵，包含传热系数、对流系数及辐射率和形状函数； 为节点温度K T向量，包含热生成的过程。电机稳定状态时温度场不随时间变化，满足稳态热分析能量平衡方程，符合 MARC 稳态传热问题的要求，因此从理论上来说可以用稳态传热分析进行求解。2.有限元分析2.1 建立模型分析采用如图 2 所示的带有轴向散热片的电机机壳，该类型在工程
7、实际中被广泛采用。该类型电机一般通过热传递将定子铁心的热量传递给机壳和散热片，再通过机壳和散热片与空气之间的对流散热将热量传导给周围的空气中。在实际设计计算中，由于各片散热片都存在着大都相同的工作情况，因此我们取一个散热片在 MARC 中进行建模分析。所建模型如图 3。图 3 散热片 2D 模型图2.2 划分网格利用 MARC 里的 QUAD 网格划分方式对模型进行处理，将其划分为四节点网格单元。如图 4。图 4 网格划分2.3 材料定义通过在 MATERIAL PROPERTIES 中对材料进行定义，一般电机材料为 HT250。表 1为分析计算所需的 HT250 材料的物理性能，图 5 为在
8、有限元分析中材料热导率曲线拟合图。表 1 HT250 材料物理性能温度项目室温100 200 300 400 500 600热导率（W/(m K)）- 43.0 42.0 41.0 40.0 37.0 35.0密度（kg/ ）3m31028.7图 5 HT250 材料热导率曲线拟合图2.4 约束与载荷本次分析计算的铸铁机壳约束及载荷以实验数据为准，该机壳电机铁心温度、表面温度及试验环境温度见表 2。表 2 电机试验环境温度铁心温度（） 表面温度（） 试验环境温度（）84.4 50.7 29由于铁心与机壳内表面接触，故在进行热分析的时候可将机壳内表面直接输入铁心温度。机壳外表面温度及散热片与空气
9、之间以对流换热为主，也有少量辐射散热，但一般机壳表面温度不是很高，在实际计算中可以省略辐射散热的影响，因此可以在机壳外表面和散热片表面上直接输入对流载荷的表面传热系数及试验环境温度。如图 6 所示。图 6 载荷模型图3 分析结果3.1 热分析在 MENTAT 里对模型进行热分析。分析结果如图 7 所示。图 7 散热片温度分布云图从分析结果来看，电机散热片顶部温度为 51.07，与实验值 50.7 摄氏度基本吻合。证明 MARC 的分析功能较好的反映了机壳的散热能力。3.2 热流量分析图 8 为散热片热流量分析云图。图 8 散热片热流量分布云图从分析结果来看，电机散热片在根部温度变化最大，相对集
10、中。根据分析结果，我们可以在实际生产中调整散热片外形尺寸，使散热片各部分热流量均匀，温度变化合理，达到更好地散热效果。4.结语计算机软件给工程实践带来了极大的方便。本例中，采用了有限元方法对电机机壳进行散热分析，所得结果符合实际，且过程准确、快捷，这种方法为我们设计铸铁机壳散热片提供了一个理论参考依据，通过该方法我们可以在铸铁机壳模具开发前，在满足铸造工艺性的前提下使机壳的尺寸更趋于合理，节省研制成本。5.参考文献1才庆龙，赵勇等.ANSYS 热分析在铸铁机壳电机散热片设计中的应用 .防爆电机.2008.5.vol43.2郭盈发主编.数据库原理及应用.北京：西安电子科技大学出版社， 2007.73陈火红.Marc 有限元实例分析教程.机械工业出版社.北京.2003.通讯作者：冯超，博士，副教授，主要从事计算机辅助工程分析和仿真，工作单位：北京交通大学机械电子与控制工程学院联系电话：13126671021E-mail： 基金项目：北京交通大学基本科研业务费， 项目号：M11JB00110
