大功率磁力耦合器冷卻水散熱研究

點擊量：2592   日期：2019-03-19 　 摘要

    針對大功率磁力耦合器進行冷卻散熱分析,在熱源銅盤和銅盤鋼架上設計了阿基米德螺旋線水槽水路對磁力耦合器的熱源銅盤進行降溫。使用ANSYSFluent有限元分析軟件對磁力耦合器的流場和溫度場進行了數(shù)值模擬,研究了水槽截面形狀及截面面積、水流速度和初始水溫對磁力耦合器散熱性能的影響,分析結果表明,設計的冷卻散熱結構能有效的降低磁力耦合器的整體溫度和永磁體溫升,合理的選擇水槽截面形狀及面積、水流速度和初始水溫可以獲得較優(yōu)的散熱效果。研究成果對大功率磁力耦合器的設計具有重要的指導價值。

    引言
    磁力耦合器是一種基于電磁感應原理研制出的非接觸式新型傳遞裝置，主要作用是實現(xiàn)運動系統(tǒng)中電機驅(qū)動軸和負載輸出軸之間的運動和動力傳遞。磁力耦合傳動是近年來新興的一種產(chǎn)生磁渦流實現(xiàn)柔性傳動的技術，2016年，我國將“永磁渦流柔性傳動節(jié)能技術”列入《國家重點節(jié)能低碳技術推廣目錄》。磁力耦合器是一種利用氣隙磁場傳遞動力的裝置，主要優(yōu)點有無摩擦、無磨損、壽命長和允許對中誤差大等優(yōu)點，此外，它還具有高效節(jié)能、可靠性高、適應惡劣環(huán)境、緩沖減震和軟啟動的功能，工業(yè)應用前景十分廣闊。

    然而，在磁力傳動技術不斷發(fā)展中，仍然存在一些技術性問題未能解決，如磁力耦合器的發(fā)熱問題。磁力耦合器在運行時，磁感應渦流損耗會產(chǎn)生大量的熱，使得傳動系統(tǒng)各部件溫度升高，溫度過高會影響永磁體材料的工作特性。永磁體材料一般采用釹鐵硼，這種材料熱穩(wěn)定性差，當溫度超過它的居里溫度時會產(chǎn)生不可逆的退磁現(xiàn)象，進而影響傳動系統(tǒng)的可靠性。在中小功率（335kW以內(nèi)）的磁力傳動系統(tǒng)中，由于發(fā)熱較少，通常采用空氣冷卻方式進行散熱；隨著傳遞功率逐漸增大，由于發(fā)熱大，空冷型散熱已經(jīng)不滿足降溫效果，因此采用水冷或者油冷等散熱方式。國內(nèi)外學者對磁力耦合器的散熱進行了大量研究。利用仿真分析方法對磁力耦合器的散熱盤進行了模擬，并根據(jù)模擬結果對散熱盤的結構進行了優(yōu)化；利用有限元軟件對大功率磁力耦合器溫度場進行了分析，研究了轉(zhuǎn)差和氣隙對溫度場分布的影響；文獻利用流體力學軟件Fluent對磁力耦合器進風孔進行了流固耦合模擬，根據(jù)分析結果對進風方案和進風孔傾斜角度進行了優(yōu)化。目前很多學者致力于中小型磁力耦合器散熱的研究，針對大功率磁力耦合器的研究相對較少，尤其是大功率磁力耦合器的散熱問題。對大功率磁力耦合器進行冷卻散熱研究，首先對熱源銅盤進行溫度場分析，在此基礎上提出冷卻方案，在發(fā)熱源銅盤和銅盤鋼架上設計了阿基米德螺旋線水槽回路，通過冷卻水進行降溫。通過SolidWorks三維軟件建立了磁力耦合器的三維模型，使用ANSYSFLUENT有限元軟件進行流固耦合仿真分析，研究水槽截面面積和形狀、水流速度和初始水溫對磁力耦合器散熱性能的影響，根據(jù)分析結果得出最優(yōu)的散熱方案，確保大功率磁力耦合器的正常工作。

    磁力耦合器三維模型

    由已知磁力耦合器參數(shù)，通過Matlab軟件編程計算設計磁力耦合器主要部件的參數(shù)，比如計算得出銅盤的厚度為7mm，永磁體厚度為65mm，極對數(shù)為22對。并利用SolidWorks三維軟件繪制磁力耦合器的三維模型，模型包括銅盤與銅盤鋼架、永磁體與永磁體安裝盤等，如圖1所示。

    裝配體整體及主要構件溫度場分析

    對磁力耦合器整體及各主要部件進行溫度場分析，分析的殘差曲線在迭代步數(shù)為101步時收斂，殘差曲線收斂性良好。磁力耦合器各發(fā)熱部件穩(wěn)態(tài)溫度?？闯鏊妨鹘?jīng)區(qū)域的溫度較低，沒有布置水路的區(qū)域溫度稍高；冷卻水在銅盤入口處溫度最低，隨著帶走的熱量增加，水溫逐漸增加；磁力耦合器整體的溫度分布和銅盤的溫度分布類似；永磁體的最高溫度為120°。

    磁力耦合器各發(fā)熱部件的最高溫度分布，可看出沒有散熱時，磁力耦合器最高溫度為197.95℃，最低溫度為163℃，永磁體的溫度為168℃，已超過了其本身的居里溫度。設計散熱機構后分析結果顯示銅盤最高溫度從197.95℃降低到65.4℃，降低了132.55℃，永磁體最高溫度從167.9℃降低到44.2℃，降低了123.7℃。該冷卻方案使永磁體溫度遠遠低于居里溫度150℃，故提出的冷卻方案冷卻降溫效果較好，可以保障永磁體在安全溫度內(nèi)工作。

    結論
    對大功率磁力耦合器的冷卻散熱進行了分析研究，設計了均勻分布的三條阿基米德螺旋線水槽，通過冷卻水的循環(huán)對磁力耦合器的發(fā)熱源銅盤進行冷卻，使用ANSYSFluent軟件研究了水槽截面形狀及面積、水流速度和初始水溫對磁力耦合器散熱性能的影響，主要研究結果如下：
    （1）采用阿基米德螺旋線水槽冷卻方案后永磁體的最高溫度為44.2℃，遠遠低于其居里溫度150℃，保證了永磁體在安全溫度范圍內(nèi)工作；
    （2）水槽截面面積越大，磁力耦合器的散熱效果越好；相同截面面積下，截面為圓形的水槽比截面為矩形的水槽散熱效果好，但是由于銅盤厚度較薄，且矩形加工較為簡單，故綜合考慮選擇截面形狀為矩形；

    （3）在外界條件不變的情況下，銅盤和冷卻水最高溫度均隨著水流速度增大而減小，隨著冷卻水初始溫度的增大而增大。

    本文由 永磁耦合器 整理編輯。