大功率磁力耦合器冷却水散热研究

点击量：2504   日期：2019-03-19 　 摘要

    针对大功率磁力耦合器进行冷却散热分析,在热源铜盘和铜盘钢架上设计了阿基米德螺旋线水槽水路对磁力耦合器的热源铜盘进行降温。使用ANSYSFluent有限元分析软件对磁力耦合器的流场和温度场进行了数值模拟,研究了水槽截面形状及截面面积、水流速度和初始水温对磁力耦合器散热性能的影响,分析结果表明,设计的冷却散热结构能有效的降低磁力耦合器的整体温度和永磁体温升,合理的选择水槽截面形状及面积、水流速度和初始水温可以获得较优的散热效果。研究成果对大功率磁力耦合器的设计具有重要的指导价值。

    引言
    磁力耦合器是一种基于电磁感应原理研制出的非接触式新型传递装置，主要作用是实现运动系统中电机驱动轴和负载输出轴之间的运动和动力传递。磁力耦合传动是近年来新兴的一种产生磁涡流实现柔性传动的技术，2016年，我国将“永磁涡流柔性传动节能技术”列入《国家重点节能低碳技术推广目录》。磁力耦合器是一种利用气隙磁场传递动力的装置，主要优点有无摩擦、无磨损、寿命长和允许对中误差大等优点，此外，它还具有高效节能、可靠性高、适应恶劣环境、缓冲减震和软启动的功能，工业应用前景十分广阔。

    然而，在磁力传动技术不断发展中，仍然存在一些技术性问题未能解决，如磁力耦合器的发热问题。磁力耦合器在运行时，磁感应涡流损耗会产生大量的热，使得传动系统各部件温度升高，温度过高会影响永磁体材料的工作特性。永磁体材料一般采用钕铁硼，这种材料热稳定性差，当温度超过它的居里温度时会产生不可逆的退磁现象，进而影响传动系统的可靠性。在中小功率（335kW以内）的磁力传动系统中，由于发热较少，通常采用空气冷却方式进行散热；随着传递功率逐渐增大，由于发热大，空冷型散热已经不满足降温效果，因此采用水冷或者油冷等散热方式。国内外学者对磁力耦合器的散热进行了大量研究。利用仿真分析方法对磁力耦合器的散热盘进行了模拟，并根据模拟结果对散热盘的结构进行了优化；利用有限元软件对大功率磁力耦合器温度场进行了分析，研究了转差和气隙对温度场分布的影响；文献利用流体力学软件Fluent对磁力耦合器进风孔进行了流固耦合模拟，根据分析结果对进风方案和进风孔倾斜角度进行了优化。目前很多学者致力于中小型磁力耦合器散热的研究，针对大功率磁力耦合器的研究相对较少，尤其是大功率磁力耦合器的散热问题。对大功率磁力耦合器进行冷却散热研究，首先对热源铜盘进行温度场分析，在此基础上提出冷却方案，在发热源铜盘和铜盘钢架上设计了阿基米德螺旋线水槽回路，通过冷却水进行降温。通过SolidWorks三维软件建立了磁力耦合器的三维模型，使用ANSYSFLUENT有限元软件进行流固耦合仿真分析，研究水槽截面面积和形状、水流速度和初始水温对磁力耦合器散热性能的影响，根据分析结果得出最优的散热方案，确保大功率磁力耦合器的正常工作。

    磁力耦合器三维模型

    由已知磁力耦合器参数，通过Matlab软件编程计算设计磁力耦合器主要部件的参数，比如计算得出铜盘的厚度为7mm，永磁体厚度为65mm，极对数为22对。并利用SolidWorks三维软件绘制磁力耦合器的三维模型，模型包括铜盘与铜盘钢架、永磁体与永磁体安装盘等，如图1所示。

    装配体整体及主要构件温度场分析

    对磁力耦合器整体及各主要部件进行温度场分析，分析的残差曲线在迭代步数为101步时收敛，残差曲线收敛性良好。磁力耦合器各发热部件稳态温度。看出水路流经区域的温度较低，没有布置水路的区域温度稍高；冷却水在铜盘入口处温度最低，随着带走的热量增加，水温逐渐增加；磁力耦合器整体的温度分布和铜盘的温度分布类似；永磁体的最高温度为120°。

    磁力耦合器各发热部件的最高温度分布，可看出没有散热时，磁力耦合器最高温度为197.95℃，最低温度为163℃，永磁体的温度为168℃，已超过了其本身的居里温度。设计散热机构后分析结果显示铜盘最高温度从197.95℃降低到65.4℃，降低了132.55℃，永磁体最高温度从167.9℃降低到44.2℃，降低了123.7℃。该冷却方案使永磁体温度远远低于居里温度150℃，故提出的冷却方案冷却降温效果较好，可以保障永磁体在安全温度内工作。

    结论
    对大功率磁力耦合器的冷却散热进行了分析研究，设计了均匀分布的三条阿基米德螺旋线水槽，通过冷却水的循环对磁力耦合器的发热源铜盘进行冷却，使用ANSYSFluent软件研究了水槽截面形状及面积、水流速度和初始水温对磁力耦合器散热性能的影响，主要研究结果如下：
    （1）采用阿基米德螺旋线水槽冷却方案后永磁体的最高温度为44.2℃，远远低于其居里温度150℃，保证了永磁体在安全温度范围内工作；
    （2）水槽截面面积越大，磁力耦合器的散热效果越好；相同截面面积下，截面为圆形的水槽比截面为矩形的水槽散热效果好，但是由于铜盘厚度较薄，且矩形加工较为简单，故综合考虑选择截面形状为矩形；

    （3）在外界条件不变的情况下，铜盘和冷却水最高温度均随着水流速度增大而减小，随着冷却水初始温度的增大而增大。

    本文由 永磁耦合器 整理编辑。