（机械工程专业论文）s30手持式圆盘锯的热流场分析.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 当顾客在选择购买电动工具时，电动工具的额定功率是他们决 定购买的一个重要因素。在很长一段时间以来，电动工具的生产商 也不断将电动工具的额定功率提高到新的高度。 因为电动工具的额定输出功率是当工具稳定运行时马达的绕组 的温升在9 0k 是的输入功率。所以一个有效提高电动工具额定功率 就是加强马达的冷却系统。较好的冷却系统也就意味着较高的输出 功率。 在本论文中，研究对象为博世电动工具的一款手持式圆盘锯 s 3 0 ，建立了空气流动的数学模型，并通过两个影响总体工具冷却系 统的因素来优化圆盘锯的冷却系统。 1 ) 轴流风扇的叶片旋角 2 ) 工具内部的导流系统。 在研究过程中，使用c f d 软件对各种状态进行模拟，并通过实 验结果进行比对比，并对冷却系统结构进行优化。并且优化结果已 经应用于量产机型，并应用于结构相近的其他类型的电动工具。 关键词：园盘锯，导流环，叶片旋角，空气流量，温升实验。 i i i a bs t r a c t t h er a t e dp o w e ro fap o w e rt o o li s a ni m p o r t a n tc r i t e r i o na tp o i n to f s a l e sf o rc u s t o m e r st om a k eap u r c h a s ed e c i s i o n o v e rt h ep r e v i o u sy e a r s a l lm a i ns u p p l i e r sh a v ec o n s t a n t l yd r i v e nt h er a t e dp o w e ro fp o w e rt o n e wh e i g h t s s i n c et h er a t e do u 印u tp o w e ri sd e t e m i n e da st h em e a s u r e de l e c t r i c a l i n p u tp o w e ro fm o t o ra t 9 0 ko v e rt e m p e r a _ t u r eo fe i t h e rt h e f i e l d w i n d i n g so rt h ea r m a t u r ew i n d i n g s ( w h i c h e v e r h a sh i g ht e m p e r a t u r 。e ) ，a n e a s y 印p r o a c ht oi n c r e a s er a t e dp o w e ri st oe 1 1 1 1 a 1 1 c et h ec o o l i n gs y s t e m o ft h em o t o r i h em o r ee m c i e n tt h ec o o l i n gs y s t e mi s ，t h eh i g h e rm e r a t e dp o w e rw i l lb e i nt h i st h e s i s e s t a b l i s ham a m e m a t i c a lm o d e lo ft h ec u r r e n ts t a t eo f a i r n o wi na 1 1e x i s t i n gc i r c u l a rs a w ，a n do p t i m i z e d 铆om 句o ri n n u e n c e f a c t o r st oi n l p r o v eo v e r a l la i rc o o l i n go fs y s t e m 1 ) 2 、 t w i s ta n g l eo f a x i a lf a n a i rg u i d a n c et h r o u 曲i n t e m a lm o t o rh o u s i n g d u r i l l gr e s e a r c h ，s i m u l a t em a s so fa i r f l o ww i t hc f ds o r w a r e ，a n d v e r m e db yt e s t i n g a tt h ee n d ，t a k es u g g e s t i o no np o w e rt o o l sw i t hs i m i l a rc o n s t m c t i o n k e yw o r d s ：c i r c u l a rs a w ，b a m e ，t w i s ta n g l e ，m a s so fa i r n o w ，h e a t i n g t e s t 浙江大学硕士论文 日i j 舌 电动工具的额定功率是消费者选择电动工具的一个重要指标。 随着电动工具的广泛使用，各个电动工具生产商通过不断提高电动 工具的额定功率来适应越来越激烈市场竞争。 另一方面，随着竞争的升级，电动工具的市场价格也在不断的下 降。这就迫使电动工具的生产商不断的以具有竞争力的价格给用户 提供更高功率的电动工具。 电动工具的额定功率是由电动工具在o 9 4 或者1 0 6 倍的额定电 压下( 选择工况恶劣的) 运行时给工具施加额定载荷，在工具达到 热稳定状态下，定转子的绕线温升达到其对应绝缘等级所要求的温 升值( 选其中温升值高的一个) 时的运行功率决定的 1 1 。 为了提高电动工具的额定功率，一个比较简便而有效的方法就 是提高电动工具的冷却系统。越有效的冷却系统也将意味着越高的 额定功率。 同时，高效的冷却系统也可以更小的马达来达到相同的额定功 率，因而通过提高冷却效率也是降低电动工具成本的有效途径，也 是电动工具发展的一个重要方向。 本论文的工作： 1 通过在s 3 0 手持式圆盘锯中增加导流环来分析其对空载转 速、空气流量、温升的关系。 2 调整轴流风扇叶片旋角来分析叶片的旋角与空载转速、空气 浙江大学硕士论文 流量、温升的关系。 3 通过有限元方法对以上两个因素的不同水平的空气流量进 行模拟。 4 通过空气流量测试和温升实验对以上研究加以分析。 浙江大学硕士论文 1 绪论 1 1 电动工具发展历史及现状 1 1 1 电动工具发展历史 电动工具是一种由电动机为动力，通过传动机构驱动工作头进 行作业的手持式或可移动式的机械化工具。电动工具具有携带方便， 操作简单，功能多样，安全可靠的特点，可以大大减轻劳动强度， 提高工作效率。 电动工具最早出现在欧洲。1 8 9 5 年，德国f e i n 公司制造了第一 台电动工具一直流电钻，如图1 1 所示。之后又出现了三相低频，单 相串励电钻及三相中频工具，这是第一代电动工具。第一代电动工 具已经具备现代电动工具的典型机构和基本特征，但是工具笨重， 电机对地仅有基本绝缘，操作者有触电的危险。 图l - 1 世界上第一台电动工具 为了提高电动工具的安全，2 0 世纪4 0 年代美国出现了采用热固 性塑料外壳的电钻，之后欧洲也出现了双重绝缘及全绝缘结构。因 为采用密度较低的塑料，使得电动工具的单位重量输出功率大大提 高，这是第二代电动工具。 随着电子技术的发展，2 0 世纪6 0 年代出现电子调速电动工具。 从8 0 年代起，电子技术已经在电动工具上广泛应用。电子技术的应 用，不仅扩展了电动工具的性能，也大大提高了电动工具单位重量 浙江大学硕士论文 的输出功率，这可称为第三代电动工具。 直到2 0 世纪8 0 9 0 年代大量出现了以电池为电源永磁直流电动 工具，使得在野外等无法使用有源交流电的场合使用电动工具成为 可能。这可以称为第四代电动工具。 在产品种类方面，从最早只有的电钻，电动砂轮机，发展到钻 孔，砂磨，锯割，木工，捶击，剪切等5 0 0 多个品种，1 0 0 0 多个规 格的电动工具2 1 。 1 1 2 电动工具的分类 电动工具是以电力为驱动，通过传动部件驱动工作部件的机械 化工具。其结果紧凑，方便携带和使用，与手动工具相比，工作效 率提高数十倍。其种类众多，可按防触电保护类型，用途及使用方 式来分类。 1 1 2 1 按防触电保护类型分类 电动工具有三种绝缘类型：基本绝缘，附加绝缘，加强绝缘。一 种绝缘系统：双重绝缘系统。 基本绝缘：用于对带电部件提供防电击基本保护的绝缘，不一定包 括功能目的的绝缘3 1 。如马达绕组与铁芯之间的一层绝缘纸( 如图 1 2 ) 。 图1 2 基本绝缘一绕组与铁芯间 浙江大学硕士论文 附加绝缘：为了在基本绝缘一旦失效时，防止电击而在基本绝缘 之外又设置的独立绝缘 4 1 ，如图1 3 塑料机壳，如图1 4 转轴与铁 芯间的绝缘套管。 图l - 3 塑料机壳工具图l 一4 附加绝缘一转轴与铁芯间 加强绝缘：提供防止电击的保护程度与双重绝缘相当的危险的 带电部分的绝缘5 1 这种绝缘可以是一层或多层结构，但是不能象基 本绝缘或附加绝缘一样可以单独测试。 双重绝缘：由基本绝缘和附加绝缘两者组成的绝缘系鲥6 1 。如图 1 3 ，绕组与外壳就是由基本绝缘和附加绝缘组成的双重绝缘系统。 所有的电动工具可能包含上述的一种或几种绝缘结构系统。根 据上述防触电绝缘系统将电动工具分为i 类，i i 类，i i i 类工具。 a ) i 类工具： 是指这样一类工具：它的防电击保护不仅依靠基本绝缘，双重 绝缘或加强绝缘，而且包含一个附加的安全措施，即把易接触的导 电部分与设备中固定布线的保护( 接地) 导线连接起来，使易触及的导 电部分在基本绝缘损坏时不能变成为带电体。具有接地端子或接地 连接器的双重绝缘和或加强绝缘的工具也认为是i 类工具 7 o 下图 1 5 所示的圆盘锯因为有金属外壳，且有与之相连的接地线，故为i 气 浙江大学硕士论文 类工具。 图1 - 5 圆盘锯- i 类工具 b ) i i 类工具： 指这样一类工具：它防电击保护不仅依靠基本绝缘，而且依靠 提供的附加安全保护措施，例如如双重绝缘或加强绝缘，没有保护 接地也不依赖安装条件8 1 。这类工具具有下列形式： i 具有绝缘的塑料外壳，且该塑料外壳能尽可能将金属零件封 盖在内，相当于加强绝缘与带电零件分开，这类工具称为绝 缘材料i i 类工具，如图1 6 所示的磨光机。 图1 6 磨光机 i i 工具上有连续的金属外壳，除了不能应用双重绝缘的部分 浙江大学硕士论文 外，其他部分全部采用双重绝缘结构，这类工具成为金属外 壳i i 类工具，如图1 7 所示的电木铣。 图1 7 金属类工具电木铣 所有的i i 类工具在其铭牌中有“回”字标志，如图1 8 所示。 图1 8 二类工具铭牌 c ) i i i 类工具： 指这样一类工具：它的防电击保护依靠安全特低电压供电，工具 内的电压内不高于安全特低电压 9 1 。如图1 9 直流电动螺丝刀 图1 9 特低电压工具 特低电压：由于工具内的电源供电的电压，当工具在额定电压 供电时，该电压在导体之间以及导体与地之间均不大于5 0 v 1 0 1 。 一瓠零 。 爨耩 剽y簪筏 浙江大学硕士论文 1 1 2 2 按用途分类 1 ) 金工类电动工具：此类工具的工作介质主要为金属，主要是 对金属进行钻孔，切割或打磨等工作，如型材切割机( 图 1 1 0 ) ，角磨机等( 图1 1 1 ) 。 图1 1 0 型材切割机 图1 1 1 角磨机 2 、) 石工类电动工具：此类工具主要是在石头，混凝土进行钻孔， 切割等工作，如电锤( 图1 1 2 ) ，大理石切割机( 图1 1 3 ) 。 图1 1 2 电锤图1 1 3 大理石切割机 3 、) 木工类工具：该类工具主要是对木材进行加工，如曲线锯( 图 1 1 2 ) ，磨光机( 图1 6 ) ，电木铣( 图1 7 ) 。 浙江大学硕士论文 图1 1 2 曲线锯 4 ) 园林电动工具：该类工具主要用于户外，对植物进行修剪等 工作，如割草机( 如图1 1 3 ) ，修枝机等( 如图1 1 4 ) 。 如 图1 1 3 割草机 图1 1 4 修枝机 1 1 3 电动工具发展趋势 电动工具工具大都是手持进行操作，因此除了要求电动工具操 作舒适，功能多样外，还要求具有较高的性能。其中很重要的是要 提高工具单位重量的输出功率。使得电动工具更轻，功率更大。 提高单位重量输出功率的主要途径一是提高转速，二是采用新 材料。 在提高转速方面除了提高电机转速外，通常是采用电子控速， 浙江大学硕士论文 使额定负载转速与空载转速基本相同，以提高输出功率。 在温升方面，电机的绝缘结构的耐热等级从1 0 5 级提高到1 2 0 级，因此缩小了电机的体积，减轻了重量1 1 】。 在新材料方面，很多生产厂商都在尝试使用镁合金来代替铝合 金。 1 2 电动工具气流分析研究现状 因为电动工具的冷却系统对电动工具的温升实验有着重要的影 响，很多电动工具生产厂商都试图通过改善和提高电动工具的冷却 系统来提高电动工具的输出功率。 a e g 电动工具有限公司，是重型便携式电动工具的生产商。他 们使用优化的气流和散热效果f l m e r i c 公司的电动工具流体流动与 传热软件f 1 0 c f d ，并有效提升电机冷却效果2 0 ，如图1 1 5 为a e g 公司对角磨进行优化。 图1 - 1 5 t t i 公司也是重要的电动工具生产商，他们通过a n s y s 对电 机风扇进行优化，从而使风扇具有最佳的散热效率或达到最大的吸 压力。另外通过对不同的产品进行整机的流场分析，优化进出风口 的面积，形状，位置等，修改流道内组件的分布，从而使达到最佳 1 n 浙江大学硕士论文 排尘效果和散热效率。 1 2 目前，计算流体动力学( c f d ) 已广泛应用于流体机械的设计中， 将它与理论分析、实验研究相结合，在许多流体机械的设计中起到 了事半功倍的效果。几十年来为了提高离心风机的效率，进一步降 低其噪声水平，优化其综合性能，国内外学者对离心风机的理论和 实验研究不断深入，作了大量工作，并为风机的设计总结出若干准 则，为设计生产高性能的风机产品提供了指导。近年来，对风机内 部流场的三维数值模拟己成为一种趋势。总体说来，国内外对离心 风机的研究主要集中在风机结构参数的优化实验研究、风机噪声机 理及治理的研究和风机过流通道的内部流场的实验研究及数值模拟 几个方面。国内对于离心风机的研究，单纯的数值模拟以及性能实 验研究较多，也有对多翼离心风机设计的研究而采用a u t o l i s p 语言 进行的气动设计计算以及参数化绘图进行c a d 的二次开发并进一 步进行数值模拟的网格划分前处理自动化的。而以g a m b i t 二次开发 以及采用数值模拟技术进行离心风机参数优化的研究却不多。1 9 9 7 年浙江大学的王灿星、林建忠、宋向群采用二维不可压理想流动 和湍流边界层的流动模型，计算了多叶风机的内部流场子午面和回 转面的位流速度，计算采用积分方法：叶片边界层用有限元方法求 解，并用r i c h a r d s o n 数反映旋转与曲率对边界层结构的影响。通过 算例计算并与试验数据比较说明本计算方法的精度是比较理想的。 1 9 9 9 年o h 和k o n g 利用有限元的方法对轴流风机内部流场进行了 计算，分析了轴流风机气动特性，并与实验进行了比较。m e y e r 和 浙江大学硕士论文 心o g e 研究和发展了可以对轴流风扇叶片附近的流动进行模拟的 数学模型，利用该模型对轴流风扇叶片上、下游的流动进行了模拟， 并与实验进行了比较。2 0 0 2 年王军、金培耕等针对分体空调器 室外机轴流风扇系统的特点，采用计算流体动力学方法对该系统中 的气体流动进行了数值模拟，内流分析与性能实验结果表明；c f d 技术能有效地改进空调器风扇系统的设计并为降噪提供依据。2 0 0 2 年，西安交通大学鲁渝北掣”1 利用五孔探针对离心通风机大宽度矩 形截面蜗壳内部的三维流动进行了详细的测量，给出了蜗壳螺旋通 道部分八个横截面内比较清晰的时均速度、静压和总压的分布图形， 反映了二次旋涡的形成与发展通流方向的扩压流动和叶轮轮盖外侧 蜗壳空腔下部流动的变化，蜗舌附近的气流冲击和内泄漏现象等， 并对这种蜗壳存在的主要损失进行了初步分类。2 0 0 2 年，李新宏、 何慧伟等 1 8 1 对离心通风机在设计工况时的整机内部流场进行了数值 模拟，捕捉到了离心通风机内部导致低效率的原因、改进叶型设计、 扩大运行工况范围等研究内容，提供了重要的理论依据。2 0 0 2 年韩 国的w a n h o j e o n 和d u c k j o o l e e 利用数值分析方法 2 9 2 1 1 对离心通风 机叶轮流动和噪声情况进行了研究并与实验数据进行了比较。次年， w a n h o j e o n 用数值方法分析了设计参数对离心通风机离心通风机 性能和噪声的影响就行了研究。2 0 0 2 年s h e a m c h y u nl i n 和 c h i a - l i e hh u a n g 幽使用集成方法对笔记本电脑散热用微型前弯式离 心风机进行研究，研究包括风机设计、模式制造、试验验证和数值 模拟。受笔记本电脑空间的限制，设计了一高效离心风机 浙江大学硕士论文 ( 4 5 4 5 7 m m 3 ) ，参数包括叶型、入口角及蜗壳出口形状。并对其 性能和噪音进行了测试，并通过数值计算对其内部流场进行了解算。 数值计算和试验结果吻合良好，表明数值计算在快速设计此类风机 中可发挥极大作用。游斌等采用c f d 方法对一小型多翼离心风机 的内部流场进行了三维数值分析，结果显示蜗壳内部的最大压力沿 轴线方向分布在不同圆周位置。在叶轮内部蜗舌上游区域存在着进 口旋涡，蜗舌附近存在着明显的从叶片出口到进口的逆向回流，同 时在蜗舌间隙中存在着间隙涡，计算的流量一压力曲线及一些典型 位置的速度跟轴向分布特性与实验结果吻合良好。2 0 0 4 年华中科技 大学王嘉冰、区颖达 2 4 1 以三维时均n s 方程和标准k 一芒两方程紊流 模型为基础，采用s i m p l e 算法，对柜式空调器用多翼离心通风机 的三维流场进行了数值模拟。研究表明，多翼风机内流场具有明显 的不对称性，同时还揭示了叶轮流道中的二次流现象，叶片吸力面 上翼型前缘附近存在的气流分离现象，蜗壳内侧前盘区域的气流泄 漏现象，蜗壳出口侧进气口背部的脱流区域，以及叶轮出口的“射 流一尾迹”模式，计算结果与试验结果吻合较好， 证实了所采用的 计算模型和数值方法的可行性。2 0 0 4 年上海电力学院张莉等 2 5 】在 c f x 软件平台上，数值计算了带有叶扩压器离心叶轮机械内部的非 定常流动，并对其进行了分析研究。数值分析表明，叶轮与有叶扩 压器间的相互干涉作用主要影响的是有叶扩压器内的流动，对叶轮 内的流动影响不大。有叶扩压器内流动的非定常特性主要集中在扩 压器的入口区域。计算结果可为离心叶轮机械的优化设计提供有益 浙江大学硕士论文 的参考。2 0 0 4 年伊朗的s s a n a y e 对离心通风机的动力消耗进行了 分析研究。同年，印度的d v b h o p e 和p m p a d o l e 【2 6 】利用有限元方 法对离心通风机叶轮的压力、噪声和流场进行了分析2 0 0 5 年，西安 交通大学的许长棱、毛义军2 7 1 对前弯型离心通风机三维内流场进行 了数值模拟，预测了叶轮的工作效率，通过与实验结果比较表明了 计算的可行性。详细分析了风机内部流场情况，发现轮盖附近的流 场分离现象使叶轮对流体的做功能力受到很大影响。通过对不同工 况的计算，揭示了叶轮和蜗壳内部的二次流现象及其发展规律。毛 义军等人还提出了一种不直接求解声场却能为离心风机降噪提供有 用信息的分析方法。利用有限容积法采用f 1 u e n t 软件对风机内部的 非定常流场进行计算。采用时域和频域分析方法对流场内静压脉动 的强度和频率进行分析。最后，根据声学基本理论，判定风机内部 主要气动噪声源的位置及噪声类型。陈晗、任鹏、任永泉【2 8 1 对目前 离心风机气动噪声的研究方法进行了分析，总结出数值模拟及其计 算方法还不完善。提出了离心风机蜗壳简化成一个具有硬边界的理 想壳体模型的思路来研究风机气动噪声。 1 3 本课题的任务 为了不断提高电动工具的使用，安全性能，电动工具的散热问 题已经成为电动工具设计过程中一项重要课题。所以许多电动工具 的生产厂商投入很多资源在这一方面的研究。在电动工具中，空气 通过进风口，电机风扇，空气流道，出风口，将零件所产生的热能 排出，是一种比较通用的方法。现在随着电动工具的性能要求的不 浙江大学硕士论文 断提升，对电动工具的散热系统的优化也是不断提升。 现在电动工具的设计趋向于提高使用的舒适性，降低工具的自 重。所以对于电动工具的散热系统来说，空气的进风口，电机风扇， 空气流道，以及出风口都与电动工具本身有相当大的关系。但是由 于在散热系统的性能上都是以实验获取数据为主，因此浪费了很多 成本和制造时间，而使用数值模拟方面，虽然有各种模拟软件，提 高了求解速度，但是所求值与实验值有一定的误差，所以本次研究 以数值计算为基础，通过调整影响散热性能的各个参数，优化电动 工具的散热，并通过实验验证其结论。 本次研究以博世电动工具的s 3 0 手持式电动圆盘锯为研究对 象，如图1 1 6 所示，通过改变现有轴流风扇叶片旋角以及增加导流 环，并通过实验验证并以c f d 辅助，以达到对电动工具散热系统的 优化，从而最终达到提高工具输出功率。 图1 1 6 s 3 0 圆盘锯 s 3 0 手持式圆盘锯的主要参数： 1 、) 额定电压：1 2 0 删c 浙江大学硕士论文 2 ) 额定频率：6 0 舷 3 ) 额定电流：1 2 彳 4 ) 额定转速：5 6 0 0r p m 5 ) 马达到输出轴的变速比：4 9 9 = 5 4 4 4 1 4 本课题的主要研究内容 本课题主要研究内容是对s 3 0 圆盘锯中对影响散热系统的风扇 和空气流道进行分析并进行对比实验。 1 5 本章小结 电动工具日益普及，本章介绍电动工具的发展历史，电动工具 分类以及发展趋势，结合近年来国内外电动工具气流分析研究发展 的情况，深入全面的阐述了气流分析研究现状与其在电动工具研发 中的意义，提出了本研究意义和主要研究内容。 浙江大学硕士论文 2 圆盘锯结构及内部气流分析 2 1 概述 为了适应市场的需求，需对现有的电动工具马达进行功率的调 整( 通常是提高) 时，通常需要对其散热系统进行调整。通过改善 冷却系统来达到提高功率，除了少量的改模费用，并且无需增加成 本。 2 2 电动工具热交换基本理论 在本文关注的圆盘锯使用的是串励电机，其工作原理和特性曲 线如图2 1 所示，其转子绕组与定子绕组相互串联这种电机有较大的 起动扭矩，并且扭矩随着转速的升高而降低见图2 1 ，这意味着较高 的空载转速，并且转速会随着负载( 扭矩) 的增加而降低通过调整负载 大小来得到合适的转速在额定负载的条件下的转速会达到空载转速 的6 0 。在马达被堵转的情况下，扭矩达到最大，这一特性对马达在 负载条件下启动是有利的，但是如果持续对马达堵转，由此引起过 高的电流会最终将马达烧毁。另外，串励马达非常不稳定，如果没 有负载马达的转速会持续地提高，直到转子因为离心力而被破坏。 因此串励电机必须持续地处于加载状态。在电动工具中，固定在转 子上的风扇对工具起到冷却的作用，同时也足够给电机进行加载。 电动工具是将电能转化为机械能，在能量转换的过程中必定会 有能量的损失。这些能量转移是在马达铁芯，电器元件的内阻，克 服摩擦磨损上。能量的损耗则是以热能的形式表现在马达定子，转 子，换向器，以及碳刷，轴承上。 浙江大学硕士论文 图2 1 串励电机的原理图及加载特性1 2 9 】 热量的损失是马达固有的特性，是由马达的效率决定并且是不 能完全避免的，这就意味着如果马达产生的热量如果不能有效释放， 浙江大学硕士论文 马达温度就会持续的升高，直到绕组的绝缘被熔化导致绕组间失效 最后使马达被烧毁。从马达带走热量越多，马达自身的热量就相对 越少，马达就会越不容易被烧毁。 实际使用过程中，有两种方法来实现对马达的散热： 1 ) 热辐射，或热交换。 马达将热量发散到周围的零件和空气，因为马达通常都是放置于 狭小的机壳内，出于安全的原因进出风口不可能太大，所以仅仅依 靠热辐射来散热只能起到非常有限的效果。 2 1 强制空气对流。 因为手持的原因以及材料的阻抗以及一些安规标准的要求( 例 如u l6 0 7 4 5 ，马达线圈的最高温升为9 0 k ) ，必须避免电动工具过 度的发热。通常是通过在使用工具过程中的空气冷却来避免工具的 过度发热。 一般电动工具在转子风扇的驱动下外部空气由进风口进入工具 内部，经过马达定子，转子与机壳间的空隙，再由出风口排出将马 达绕组，换向器上产生的热量带出工具，如图2 2 所示。 1 马达转子风扇2 马达定子3 马达转子4 马达机壳 浙江大学硕士论文 旦 里。 图2 - 2 整机流场示意图 空气冷却通常以吸收热量以及对流的方式来降低发热表面的热 根据热量转移公式 其中： q ：刎( 丁一巧) ( 2 - 1 ) q ：转移的热量 r ：发热体表面的温度 弓：空气温度 a ：热交换系数 彳：发热体表面积 从以上公式可以看出，热量的吸收与发热体表面与空气的温度 差，发热体表面积大小以及热交换系数成正比关系。其中热交换系 数在很大程度上取决于气流中的湍流多少，以及发热体表面的粗糙 度。 空气对流的热量： 丁= c p m 丁 ( 2 2 ) 其中： c p ：空气的热容 m ：单位时间空气流量 m = 矿n ( 2 3 ) 矿：体积 岛：密度 n 浙江大学硕士论文 丁：空气的温升 将( 4 3 ) 代入( 4 2 ) 得到 仁c p 丁 ( 2 4 ) 从以上公式可以看出，通过空气对流带走的热量与单位时间的 空气流量以及空气的温升成正比。 电动马达的额定功率只是由加载到特定工具上额定的负载来决 定的。如果对于一个给定的电动马达，其额定功率是现实的，这样 如果要提高马达的额定功率，就必须尽量减少能量以热能的形式损 失。如果损失的能量为乞= q ，乞增大也就意味着马达工作效率的降 低，而马达工作效率最主要是由马达的励磁饱和度决定的。 综上所述，如果要提升马达的冷却效果，可以从以下两个方面 来考虑。 提高空气对热量的吸收 可以通过提高散热面积爿来提高空气对热量的吸收，例如可以 减少马达附近的筋板来提高绕组周围的空气流动。 用特定的方法来提高热交换系数口。 提高空气对流。 提高空气流量历，即可以提高空气的对流，又可提高空气对热 量的吸收。 当空气的流量增加，空气气流在与机壳壁垂直方向上的速度梯 度咖幽，以及在散热表面的湍流程度都会增加。这些都会导致温度 梯度的增加以及由此而产生的热转移的增加。 浙江大学硕士论文 通过增加空气里流量并且保持散热面积和热交换系数不变的情 况下，冷却的效果只能够逐渐的成比例的增加。对于那些不能直接 流通到散热表面的空气流量，对散热的效果并不明显。正因为如此， 需要将冷的空气直接导入到马达上发热点上。 另外，随着空气流量的增加，风扇入口的功率也会逐渐增加， 这样会导致风扇出风口的功率相对地降低。 尽管电动工具的内部很复杂，为了得到近似的需要冷却空气流 量数学参考值，我们做出以下假设： 电动工具输入功率的4 0 是作为热能损耗掉的。( 马达的工作效 率叩。= o 6 ) 空气的温升是2 0 k ( 上限温度是4 0 ) 。 空气的热容：q = 1 3 0 l p 聊3 k 根据能量守恒定律，我们得出以下公式： 昂o 4 = 陬q 丁 ( 2 5 ) 其中： r ：热吸收率 矿：单位时间空气流量 通过单位换算，计算风扇每旋转一圈的空气流量得到如下结果： 所c 聊3 】= 昂 后形 o 4 6 0 j m i n 】1 0 6 c m 3 m 3 】( 印 材聊3 k 】研k 胛 1 m i n ) 所c m 3 ：蹦七吲9 3 1 0 4 刀 1 m i n 】 ( 2 6 ) 其中： 矿是风扇每旋转一圈的空气流量，单位是c 肌。 浙江大学硕士论文 刀是风扇的加载转速，单位是m i n 。 2 3 手持式圆盘锯及其基本结构 手持式圆盘锯是一种最为常用的木工工具，主要用于木材的 切割 圆盘锯的基本结构如图2 。3 所示，由手柄，机壳，上保护罩( 固定 护罩) ，下保护罩( 活动护罩) ，电动机和底板组成 1 上保护罩2 手柄3 马达机壳4 电源线5 机壳后盖6 马达7 支撑底板 8 下防护罩 图2 3 圆盘锯的基本结构 2 4 圆盘锯中影响冷却效果的主要零件 2 4 1 进出风口 s 3 0 圆盘锯的进风口全布在工具的后盖上，如图2 4 所示。 浙江大学硕士论文 图2 4s 3 0 进风口 s 3 0 的出风口集中在马达机壳和上保护罩连接处和上保护罩处， 如图2 5 所示。 图2 5 马达机壳与上护罩间的出风口 2 4 2 整机的流场 整机流场是指从进风口到出风口之间在马达机壳内，马达定转子 之间空气可以流通的空间，如图2 2 所示。s 3 0 的整机流场如图2 6 所示 浙江大学硕士论文 图2 6s 3 0 整机流场 2 4 3 风扇本身 s 3 0 圆盘锯所使用的风扇是铁制的轴流风扇，其风扇叶片数量 1 2 ，现有的叶片旋角为2 0 0 。如图2 7 所示。 图2 7s 3 0 风扇 本文将重点从空气流道和风扇两方面着手来有效的提高电动工 具的散热效果。 2 5 本章小结 本章对电动工具的散热理论加以介绍，并介绍了圆盘锯及其结构 并介绍了影响电动工具散热效果的三个方面：进出口，空气流道， 一 浙江大学硕士论文 = 一一 风扇。 浙江大学硕士论文 3 轴流风扇分析 3 1 1 轴流风扇的散热原理 风扇的散热原理即是利用风扇叶片推动流体快速移动，亦即增 加流体流经发热体的流量，利用强制对流的方式带走散热体所产生 的热量，从而达到散热的效果。散热量的大小与传热系数以及温差 有关，其散热量可表示为： g2 办r ( 3 1 ) 其中，办为散热系数；r 为温度差。 因此控制风扇散热能力主要与传热系数大小有关，因此散热系数 与流体速度有相对的关系存在，它们之间是成正比的关系，而流体 的速度和流体流经风扇的面积决定风扇流量的大小，换言之，风扇 流量越大散热效果越好。 轴流风扇是一种使流体从轴向流入叶片并沿轴向流出的风扇。 其工作原理基于翼型理论： 气体由一个攻角进入风扇时，在翼背上产生一个升力，同时在 翼腹上产生一个大小相等方向相反的作用力，该力使气体排出叶片 呈螺旋形沿轴向向前运动。同时，风扇进出口处由于压差的作用， 空气不断地被吸入 3 0 】。 3 2 风扇的改造 s 3 0 现有的风扇叶片的旋角为2 0 0 ，对风扇旋角进行改变，分别 为1 0 0 、1 5 0 、 2 5 0 、3 0 0 。 1 0 0 风扇 7 15 0 风扇 2 5 0 风扇 3 0 0 风扇 图3 7 1 0 。风扇 图3 81 5 。风扇 图3 92 5 。风扇 2 8 图3 1 0 3 0 。风扇 3 3 本章小结 本章介绍了轴流风扇的散热原理，并提出对现有轴流风扇的旋角 加以改变。 4 流道的改造 4 1 现有流道介绍 现有s 3 0 圆盘锯中，风扇外径与马达机壳内部的间隙为6 4 m m 如图4 1 所示。 图4 l 原有内部流道 4 2 流道的改进 在现有s 3 0 中，马达机壳内套嵌一导流环，如图4 2 所示，导流 环的内径为9 4 m m ，与风扇外径的间隙为1 m m ，如图4 3 所示 图4 - 2 增加导流环后的内部流道 堕塑型塑 图4 3 导流环 浙江大学硕士论文 5c f d 仿真研究 5 1c f d 简介 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) ，即计算流体力学起源于 1 9 4 7 年，c o p a l 对超声波通过尖锐圆锥体的计算3 1 1 。 第一代c f d 出现于二十世纪五，六十年代，伴随着高效，高速 计算机的产生，并开始应用于高速，高温下的往返式航天器的设计 中。 第二代c f d ，正是我们现在所描述的，将开展方程引入流体模 拟和计算中，使得计算及其复杂，必须使用高性能的计算机。 在二十世纪七十年代以来c f d 技术在航空、气象、海洋、流体 机械、车辆设计等各领域都有广泛的应用。近年来，随着计算机速 度和信息存储能力的大幅提高，给c f d 的应用带来根本性的变化。 c f d 主要研究和描述各种流动现象，尽可能用数值计算代替实 验，通过数值模拟来了解过程细节，从而实现优化设计。c f d 的主 要应用领域有：飞行器和汽车空气动力学；水力和海洋学；发动机 和燃气轮机；泵、风机的内部流动、扩散【3 2 】。 5 2c f d 模拟软件介绍 c f d 软件建立在数值计算的基础上，可以解决关于流动的很多 问题。为了便于操作和发挥它解决问题的功能，所有的商业c f d 软 件都有高级图形用户界面用于输入计算和检查结果，因此所有c f d 软件都包含三个主要部分：前处理、求解、后处理。 前处理由一个友好界面构成，通过这个界面可以输入流动问题 浙江大学硕士论文 的有关参数，然后将这些参数转化成求解所需的合适形式，包括以 下几项： a ) 求解区域的几何定义：计算区域。 b ) 网格生成：将区域划分成大量更小的相互无重叠的子区域 ( 控制容积，或小网格) 。 c ) 选择需要建模的物理现象。 d ) 定义流动特性。 e ) 确定网格的边界条件，使它和主区域边界条件一致。 解决流动问题( 速度、压力、温度等) 首先要定义子区域节点 值。c f d 的计算精度取决于网格中子区域的数量多少。在一定硬件 条件和计算时间下，计算精度取决于网格划分的正确性。最佳的网 格并不是唯一的。在相邻点的物理变化较大的地方，网格应更精细 一些；而在物理量相对变化较小的地方网格可以稀疏一些。现在已 经有了一种称为自适应网格计算方法，会自动地在求解变量变化剧 烈的地方将节点加密，这种方法已经被引入c f d 软件。但是网格生 成的好坏仍依赖使用的经验。 工业c f d 应用中，所花费时间中超过一半用于几何区域的定义 和网格的划分。为了提高软件使用者的工作效率，所有c f d 软件都 有自身携带的图形界面，以便于和专业的网格生成软件相连。c f d 软件在给出流动方程的同时，前处理也提供了常见流体物性参数库、 特殊的物理和化学过程模型，如湍流模型，热辐射模型，燃烧模型 等，以供选用。 浙江大学硕士论文 求解的基本步骤可以分为： a ) 用简单的函数描述未知的流动参数变量之间的关系； b ) 适当离散流体运动控制方程并进行数学处理； c ) 求解代数方程； 现在大部分的商业化c f d 软件都采用有限体积法。这种方法包 括以下几个步骤： 1 ) 在求解区域的所有控制容积上建立完备的流体控制方程 组； 2 ) 离散化包括用某种有限差分格式表示通用方程组中的各 个流动过程项，如对流项、扩散项和源项，将同意方程转 化成代数方程组； 3 ) 用迭代法求解方程组； 用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，是目前最 普遍使用的一种方法。 后处理：在经过了前处理，求解后，要对计算结果进行显示和 数据输出，这就是后处理的主要内容。它包括： 1 ) 几何区域和网格的显示； 2 ) 矢量图绘制； 3 ) 曲线图和阴影图绘制； 4 ) 2 d 和3 d 表面图绘制； 5 ) 视图处理( 转换，旋转，缩放) ； 6 ) 色彩填充输出； 堕堂坠堕l 这些工具还包括计算结果的动态显示。除了图形处理外，所有 的软件都有可靠的数据输出功能，并有数据接口以便在外部对数据 做进一步处理 3 3 】。 本文中使用的c f d 软件是a n s y sc f dc f x1 2 1 ，划分网格的 软件是i c e m 。 5 3 c f d 模拟实验步骤 流体力学解决问题的基本步骤为： 1 ) 定义目标模型，根据物理现象简化和抽象成计算模型；因为 圆角，倒角对网格的质量影响很大，所以尺寸在o 5 1 m m 对使 用功能，包括通风，散热无影响的圆角或倒角都要去掉，如图 5 1 所示 图5 - l 去除倒角和圆角 模型的外壳在p r 。一e 模型里面是有厚度的，但是在模拟软件里面 只需要外壳的内表面，因为只有外壳的内表面参与计算，而且保 浙江大学硕士论文 留外表面对网格质量有较大的影响。模型外壳只需要内表面数据， 而且一定是要封闭的面( 进，出风口除外) 。见图5 2 图5 2 机壳内表面 因为一根根的铜线画网格非常麻烦，而且网格质量差，因此要 简化为一个面来代替绕线，定子绕线根据绕线的形状做成一个面， 代替绕线，见图5 3 。 图5 3 定子绕线 塑鲨燮 转子组件根据外形轮廓简化成单个面或者实体零件转子结构 较复杂，所以根据它的形状简化成一个面对计算和网格质量都有 好处，见图5 4 。 图5 4 转子 在转子和风扇表面生成一个与其间距o 2 5 m m 的包络面，如图 5 - 5 所示，包络面的主要作用是模拟风扇的旋转。 碳刷结构去掉，一定需要时，则在装配时与整流子之间保持 o 5 n u n 的间隙。碳刷保留会导致和包络面重合的现象，这样导致 无法进行模拟计算，如图5 6 所示。 浙江大学硕士论文 图5 - 6 碳刷 为了不影响网格质量，在处理齿轮等传动件时，不要保留齿部等 结构，或者用圆柱代替齿部结构。 影响网络质量和计算速，对螺钉，和一些无用的筋条需要去掉。 在s 3 0 的处理中，因为手柄，底板，下护罩对通风和散热没有影响，所 以把它们去除另外由于齿轮是位于上护罩内对汽流无影响所以也去 除，最后p r o e 文件存为i g e s 格式，如图5 7 所示。 图5 7 输出文件 2 ) 将i g e s 模型导入a n s y s 的i c e m ，并生成网格如图5 8 所 不。 图5 8 整体网格 转子及其包络面网格，如图5 9 所示 图5 9 转子及包络面网格 定子及定子绕阻的网格，如图5 1 0 所示 图5 1 0 定子及定子绕阻网格 网格类型及数目如表5 1 所示 浙江大学硕士论文 表5 1 网格类型及其数目 零件名称网格类型网格数目 机壳四面体 3 0 w 马达转子四面体2 0 w 马达定子四面体2 5 w 3 ) 选择合适的结算器，基本方法和附加模型，指定材料物理性 质和边界条件； a ) 模拟方法：多参考系旋转 b ) 进口：总压为o c 、) 出口：静压为0 d ) 壁面：标准壁面函数，无滑移 e ) 湍流模型：标准后一e 模型 di n t e 渤c e 设置：舶z e nr o t o r - 多参考中模拟旋转需要设置 成这个量 g ) 转子转速：2 4 0 0 0 印m h ) t i m es t 印设置：1 n = 1 4 0 0 = 0 0 0 2 5 s i ) 收敛残差：1 0 e 3 j ) 最大计算步数：5 0 0 k ) 监控出口流量变化：m a s sf l o w ( ) o u t l e t 1 ) 监控出口压强变化：a r e a a v e ( p ) r e g i o n ：o u t l e t 4 、) 设置计算控制参数，初始化流场，进行计算； 5 、) 后处理分析，根据计算结果分析； 浙江大学硕士论文 图5 1 1 机壳内的空气流动迹线图 下面将按上述步骤分析建立圆盘锯内部空间速度场和温度场的 计算模型并求解，如图5 1 1 为s 3 0 内部的空气流动迹线图。 5 3 1c f d 定义计算模型 根据物理模型，我们对数学模型做如下抽象和简化： a ) 对于一个稳定运行的圆盘锯，温度场与速度场不随时间变化， 模型将研究其稳定状态下的速度场和温度场的分布； b ) 圆盘锯稳定运行时内部气体流动是粘性气体的湍流流动； c ) 气相在网格内是均匀的； 5 3 2 网格划分 j 堑塑墼 图5 一1 2i c e m 定义几何类型 图5 - 1 3 四面体网格分布图 5 4 c f d 模拟结果及分析 5 4 1 c f d 模拟结果 4 2 0 6 舱+ 0 0 2 鬻。 、80 0 9 e + 0 0 1 隧5 3 3 9 e + o 。 g 鬟日 e 瓣 麓囊喜26 7 0 e + 0 0 1 蔷 i oo o o e + 0 0 0 f ms “一1 j 鬻熏；囊漤；凄 图5 - 1 4 风扇1 0 。旋角( 无导流环) ，x y 中截面速度矢量分布 v e l o c i l v v e c t o r 熙1 0 6 8 e + 0 0 2 80 0 9 e 十0 0 1 妒。瞄 睡i 慈26 7 0 e + 0 0 1 霉 一o0 0 0 e + 0 0 0 f ms “一1 】 ，囊 ，乏 t 主蘩 舂- 图 妻 二；亭 ：凌 毒 l _ 图5 _ 1 5 风扇1 0 。旋角( 有导流环) ，x y 中截面速度矢量分布图 v e l o c l l y v e ce o r l 蕊褂15 3 8 e 。0 e 2 ? 11 5 4 e + 0 0 2 76 9 1 e + 0 0 1 38 4 5 e + 0 0 1 o0 0 0 e + 0 0 0 图5 一1 6 风扇1 5 。旋角( 无导流环) ，x y 4 3 、 嚣 j 。囊妻 莓蕊， 搿，t 舀箍