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热接触电阻与冷缩配合装配电机相关性的实验调查

R. Camilleri, D.A. Howey*, M.D. McCulloch

英国牛津大学能源和电力集团、工程科学部门

david.howey@eng.ox.ac.uk

缩写 CFD计算流体动力学 LPNA集总参数网络分析

罗马符号

A 面积（）B,C 常量

d 平均对角线长度的维氏缩进(mu;m)

D 气缸直径（m）

F 维氏硬度计测量质量(kg)

hc 热接触电导传输(W / K)

HV 维氏硬度(GPa)

I 电流（A）

k 导热系数(W /mK)

L 长度（m）

m 表面粗糙的斜率

n 没有样本

q 热通量(W /)

Q 总热量(W)

r 半径（m）

热阻(/ W)

T 温度（）

u 不确定性

V 电压（V）

x 有效气隙

y 垂直距离测量（mu;m）

摘要

热设计和造型在电机很重要,因为它允许适当的材料的选择, 避免机器的估值下调和消除过度的安全因素从而实现更高的电流密度。在高电流密度电机,特别是利用液体冷却住房除热量的夹克,定子住房热接触电阻在主电机的热排出路径。到目前为止,它一直认为这个参数是依赖于冷缩配合机器的制造过程。然而本文提供了实验证据显示,不仅热接触电阻随冷缩配合压力,但也受热流和温度的影响。因此,普遍认为热接触电阻是一个恒定值设置在机器装配,在热设计,这个值可以应用在整个运行范围的机器是一种简化。提出了任意的相关性显示热接触电阻的变化与热通量和热配合压力和比较测量值和引用文献值。

关键词:热接触电阻、冷缩配合,电机、热造型

1. 简介

本文提供了一个实验调查的热接触电阻热配合同心几何图形与电机息息相关的。高功率密度电机越来越受欢迎的在应用程序中瞬态操作模式占主导地位,如电动汽车、风力涡轮机[1,2]。因此在这种情况下,机器的瞬态热模型是很重要的。

热造型在电机设计通常是通过集中参数执行网络分析(LPNA)或计算流体动力学(CFD)。虽然LPNA很快解决,它需要大量的未知的热阻,从实验中,获得CFD,还是猜后来验证。相反的CFD模型产生一个更好的洞察力和更详细的信息,但可能需要大量的时间来模拟[3]。这些是因此有限生成参数为特定组件或地点,而整个机器热模拟由LPNA[4]。困难在确定热电阻受雇于LPNA一直在强调(5、6),分类成对流热阻条款和接触条件。虽然有几个努力提供足够的对流抗性不同的机器拓扑[7 - 9],同样不能说热接触电阻。

热接触电阻等,在定子之间的接口和住房是至关重要的,因为他们是在主电机的热路径。因此,他们强烈影响模型预测温度的准确性。这是特别重要的机器在高电流密度,利用热配合液体冷却房地产夹克作为他们的排热的主要来源。而改善的有效性研究冷却夹克本身已经非常活跃的[13],工作提供了一个了解电机的热接触电阻仍然缺乏。虽然一些建模应用固定热接触电阻,它们与其他实验试图用理论或半经验相关性从平面关节接触。然而在平面接触,界面压力可由转矩控制设置和独立于热流通过接口。相反,在同轴圆柱表面的界面压力取决于最初的适合度的不均匀膨胀两个汽缸。这是温度的函数,由热流通过影响界面[14]。

下面简要文献综述关于热接触电阻研究圆柱形关节,热接触电阻的上下文中电机也检查了。本文描述了实验过程,论述了开发相关的热接触电阻与接触压力和热通量。

2.文献综述

2.1热接触电阻在圆柱形关节

而热接触电阻在平坦的关节是实质性的工作(200年的出版物[15]),研究圆柱关节更有限的(约一个数量级少)。四个主要热接触电阻模型平面关节已经开发和被称为Shlykov模型[16],[17]的罗斯和Stoute模型, Veziroglu模型[18]和Cooper-Mikic- Yovanovich模型[19]. 比较这些模型已经在[20-22],现在人们普遍认为,Cooper-Mikic-Yovanovich模型提供了更好的预测。

[23]表明Cooper-Mikic-Yovanovich模型可以用于曲面如果传热耦合古典弹性应力分析。他的模型被发现实现实验数据的精度在5%以内[24]。作者还比较替代模型和显示,他们与错误严重高估了接触电阻的范围25% - -100%的罗斯和Stoute模型和Shlykov模型,而100% -200% Veziroglu模型。[14]提出了一种扩展这项工作中他表明,热接触电导在同轴圆柱形关节不仅取决于接触压力和圆柱体的表面和材料性质,但影响也由热通量和由此产生的最高温度。分析考虑了局部膨胀的同心圆筒由于温度梯度引起的热量流动。这因此改变界面的接触压力。迭代的解决方案来解决接触压力提出了在热负荷。本文使用模型来研究表面参数的影响。然而,需要更多的实验工作有明确的信息材料属性,表面性质和温度达到突出显示[14, 23]。

2.2热接触电阻电气机器

[25]的热接触电阻测量三个全封闭风扇冷却电机和比较结果Shlykov平节理模型。该模型外推预测组件温度在LPNA模型。相反[26]设计了一系列的实验来获取值的热接触电阻硅钢定子和冷缩配合低碳钢住房用于液体冷却发电机应用于风力涡轮机。许多组件开发和冷缩配合39 MPa压力不同。作者提供一系列指导方针的热接触电阻发现减少与增加接触压力,改善表面光洁度和热界面材料的应用。然而本文并不提供任何的热负荷值,电机尺寸和表面光洁度。因此结果不能被复制或相比。本文未能提供相关可用于热模型和假设热接触电阻是独立的热通量,只有依赖于初始冷缩配合压力。

相反,(4、6)调查未知的热接触电阻值LPNA模型通过引入一个小的有效界面气隙定子和机器之间的住房。而建议的有效气隙值也引用(27、28)作者发现真正的机器经常需要有效的差距,是一个数量级大于那些建议。通过这种方法,分析员必须执行一个初始校准与实验结果,以确定正确的有效的差距的大小。尽管其有效性在稳定状态机操作,这种技术还假定热接触电阻是固定的,因此可能会导致不准确的温度预测时,应用瞬态操作期间。

3.实验工作

一个实验性的方法,目的是提供一个更好的了解热接触电阻和热设计提供更好的相关性,可以应用于热模型。为了让热设计师复制的结果,材料和表面属性,也热接触电阻的关键球员,比如硬度和表面粗糙度测量结果。

3.1制造

四双同心圆筒被制造。材料选择复制之间的交互冷缩配合铝住房到定子。因此对于每个生产对,内缸由低碳钢外缸是铝做的。尽管有一些细微的差别在硅钢和软钢之间的热性能如表1所示,低碳钢仍使用由于其易于制造。

表1:比较不同类型的热性能与碳钢硅钢从[29]。*属性在25摄氏度。

每一对加工,它包含一个干涉配合,从而使测试一系列冷缩配合压力。每个气缸高度保持在50 mm从而保持气缸高度/厚度比约10。表2中列出的几何尺寸。热电偶温度传感器的位置也被加工。

表2:测试几何尺寸

3.2硬度测量

6个样品的材料被放置在阿姆斯壮维氏硬度计压头和机器加载一个应用缩进。为了确保加工时加工硬化的影响占,硬度测试的曲面进行内外缸。负载是20公斤之间的不同和40公斤。缩进的对角线长度测量硬度是决定使用[30]:

epn.1

缩进的对角线长度变化超过10%互相被丢弃,以免扭曲变形。的平均值和标准偏差测量了两种材料的硬度值表3所示。

表3:内外缸的硬度值

3.3表面粗糙度测量

外铝汽缸使用19毫米精度铰孔加工工具的接口表面内低碳钢圆柱体在车床加工使用硬质合金工具。

材料的表面光洁度取决于材料本身和过程用于加工组件。在机器表面光洁度图表[31]是可用的,我们做了一些验证测试使用一个Alicona无限关注数字轮廓曲线仪。测量的均方根粗糙度值测定使用:

epn.2

其中n是等距的样本的数量在跟踪和y是垂直距离均值线数据点。表4比较测量的均方根粗糙度与文献中发现的建议值。

表4:比较的测量和建议的表面粗糙度

3.4热配合组装

加工后,所有内部外部的接口直径圆筒调查每隔45 o,在不同缸高度。这确保了气瓶搭配正确的过盈配合,获得了理想的冷缩配合压力范围。圆柱体被冷缩配合组装过程的内在钢瓶受到的热收缩温度5度,而铝外缸是放置在一个Carbolite烤箱和热膨胀受到温度达到300度。每个气缸的直径变化由于温差计算使用:

epn.3

由此产生的接触压力在每个ssembly的接口是由解决的方程[32]:

epn.4

epn.5

结果在界面接触压力也在表1所示。最后的一个例子冷缩配合装配如图1所示。

图1一个冷缩配合组装研究的例子

3.5温度和热接触电阻测量

230 V,150 W筒形加热器安装内筒内。基于硅的热界面材料应用于提高加热器之间的传热和内缸。衣架式热电偶安装在每个两个气缸,也被用来测量环境温度控制。温度传感器位置孔也充满热界面材料,以确保良好的传感器和组件之间的联系。温度传感器记录使用TC-08 Pico数据记录器。加热器是连接到一个变压器,这样热量输入可以调节。电流表和微分探针被连接到PicoScope 3000系列和记录每隔1 s。热输入计算为:

epn.6

测试设置如图2所示。大会之间放置厚聚苯乙烯块从表面减少热损失。

图2:测试设置与1)温度传感器(位置标识为一个红色的点),2)同心组装3)内部的筒形加热器,4)调压变压器,5)交流电源

调压变压器是用来调节电压加热元件和测试是重复的热通量。对于每一个热通量,实验了大约6个小时,直到一个稳态运行条件达成,在稳定状态,另有2个小时。稳态的温度和力量时期平均和整体热阻计算使用:

epn.7

为了消除热导率的影响在每个气缸,和帐户只有联合接触电导、热电阻的定义如下:

epn.8

因此联合电导可以计算。

3.6校准和不确定性分析

校准过程进行的测试设置安装热电偶和插入到Carbolite烤箱。热电偶和数据采集系统对参考装PT100温度传感器校准和oC的准确性。一系列的校准是20摄氏度到180摄氏度的温度。烤箱滞后为0.1摄氏度,而热电偶补偿测量在0.33摄氏度。温度传感器不确定性计算使用:

epn.9

温度的不确定性估计0.35摄氏度。

相反的不确定性测量电压和电流分别为和。热负荷的不确定性提供计算使用:

epn.10

热量输入的不确定性被发现4兆瓦在低热流密度和最高的33千瓦高热流值。

热通量的不确定性被发现之间的1 W / m2和14 W / m2和估计使用:

epn.11

u(A)是绝对的不确定性区域,估计7.8mu;m使用:

epn.12

最后的不确定性在热接触电阻被发现使用:

epn.13

热接触电阻测量的不确定性值0.0009 m2K / W。因此,不确定性在热接触电导测量18 W / m2K。

4.测试结果和讨论

测试结果显示热接触电导的变化与热通量和接触压力是如图3所示。正如所料,热接触电导增加冷缩配合压力增加。然而在恒定冷缩配合压力热接触电导也发现随着热通量增加。任意相关的电导与热通量显示各种冷缩配合压力。每个设置达到一个临界热通量值,被发现之后,热接触电导变得平缓。它也指出冷缩配合压力较大需要更高的热通量在热接触电导变得平缓。对任何特定的冷缩配合压力、临界热通量可以关联到一个二次方程如下:

epn.14

最高温度的变化(在内部达成的气缸)与热通量是如图4所示。组件温度的输入功率,组装的热容量,热量从内缸外缸和热量从外缸转移到环境空气自然对流。热通量和温度与二次趋势线如下:

数据有一个R2值为0.99。

实验数据也比电导值用来模拟真实的机器(6,25)。有效的空气间隙[6]所示

epn.15

将被转换为一个电导值:

epn.16

机器效率和维度[33]从制造商获得数据,如表5所示。稳态热通量估计,假设每台机器的损失是分布在80%定子,转子的20%。

表5:机器的细节用来比较热接触电导

在缺乏信息的冷缩配合压实际机器很难做出明确的减免,以下言论可以:

bull;所有点超出临界热通量线下降。这个比赛预期这些值对应于稳态电导值。

bull;虽然注意到一些点低于0 MPa线,这可能是由于轻压配合而不是冷缩配合。其余的点落在夷为平地的电导值0 MPa和52 MPa。铝是大约的上部拉应力。50

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