大功率磁力耦合器冷卻水散熱研究

唐正強，惠佳博，周東東，潘小飛

（1.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程與自動化學院，廣東 深圳 518055）

1 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[1]，主要作用是實現運動系統(tǒng)中電機驅動軸和負載輸出軸之間的運動和動力傳遞[2]。磁力耦合傳動是近年來新興的一種產生磁渦流實現柔性傳動的技術[3]，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[4-5]，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[6]，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[7]。磁力耦合器在運行時，磁感應渦流損耗會產生大量的熱，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生不可逆的退磁現象，進而影響傳動系統(tǒng)的可靠性[8]。在中小功率（335 kW以內）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[9]；隨著傳遞功率逐漸增大（大于335 kW），由于發(fā)熱量大，空冷型散熱已經不滿足降溫效果，因此采用水冷或者油冷等散熱方式[10]。國內外學者對磁力耦合器的散熱進行了大量研究。文獻[11]利用仿真分析方法對磁力耦合器的散熱盤進行了模擬，并根據模擬結果對散熱盤的結構進行了優(yōu)化；文獻[12]利用有限元軟件對大功率磁力耦合器溫度場進行了分析，研究了轉差和氣隙對溫度場分布的影響；文獻[13]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ANSYS FLUENT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。

2 磁力耦合器物理模型

2.1 磁力耦合器三維模型

由已知磁力耦合器參數，通過Matlab軟件編程計算設計磁力耦合器主要部件的參數，比如計算得出銅盤的厚度為7mm，永磁體厚度為65mm，極對數為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。

圖1 磁力耦合器的三維模型Fig.1 A Three-Dimensional Model of Magnetic Coupler

磁力耦合器零部件相關的尺寸參數，如表1所示。

表1 磁力耦合器各零部件尺寸參數Tab.1 Geometric Dimensions of the Magnetic Coupler Components

各個部件的材料屬性，如表2所示。

表2 材料屬性Tab.2 Material Properties

2.2 磁力耦合器冷卻結構設計

針對大功率磁力耦合器的散熱，提出了一種利用螺旋水槽水路進行冷卻散熱的方法，其結構，如圖2所示。該螺旋水槽水冷型磁力耦合器主要是由永磁體盤（22）、銅盤（1）和冷卻結構組成，冷卻機構由銅盤（1）、銅盤鋼架（2）、軟管（4）和軟管（9）、旋轉端蓋（10）和固定端蓋（11）組成，其中銅盤（1）和銅盤鋼架（2）中分別加工有二分之一螺旋槽道。銅盤鋼架（2）與銅盤（1）通過螺釘（23）固接，銅盤鋼架（2）與旋轉端蓋（10）通過螺栓（15）連接，旋轉端蓋（10）與固定端蓋（11）通過螺栓連接，固定端蓋（11）連接到電機的驅動軸（13）上。永磁體（21）通過壓板（20）與永磁體盤（22）固接在一起，永磁體盤（22）連接到負載軸（17）上。

該磁力耦合器冷卻水由固定端蓋（11）上入水口（8）進入旋轉端蓋（10）上的入水口（7），再由軟管（9）分三條管道分別進入對應的三條螺旋水槽進行冷卻，后由銅盤鋼架（2）上出水口（3）由軟管（4）經旋轉端蓋（10）上出水口（5）進入固定端蓋（11）上出水口（6）流出。水槽的入水口和出水口分別為三個，在圓周上等距呈120°分布。磁力耦合器為雙磁盤結構，兩銅盤的冷卻方式及進出水管路方式完全一致。水槽水路為方形槽，截面積為（6×6）mm的矩形，水路設計的阿基米德方程如下：

圖2 冷卻結構示意圖Fig.2 Schematic Drawing of Cooling Structure

3 熱學仿真分析

3.1 網格的劃分

網格的劃分是進行有限元分析的基礎，直接影響模型求解的精度和速度。若要提高計算精度則需較小單元，但計算速度會降低，故對模型中關鍵部位使用較小單元，非關鍵部位采用較大單元。將磁力耦合器三維模型導入ANSYS ICEM中進行網格劃分，物理環(huán)境選為流體分析（CFD），得到節(jié)點數為661188，單元數為987296，最小單元邊長為0.6mm。磁力耦合器各部分網格單元大小劃分情況為：銅盤網格為10mm，銅盤鋼架網格為10mm，永磁體網格為8mm，永磁體安裝盤網格為15mm，水路網格為1mm，如圖3所示。

圖3 磁力耦合器網格劃分Fig.3 Mesh of the Magnetic Coupler

3.2 邊界條件

采用ANSYS Fluent軟件對磁力耦合器流場及溫度場進行仿真分析，根據永磁耦合器的結構特點和求解區(qū)域，邊界條件和參數設置如下：

湍流黏性選擇k-e兩方程湍流模型，開啟能量方程。

流體材料選擇液態(tài)水，熱傳導系數設為0.6w/m-k；添加永磁體材料，設置熱傳導系數為9w/m-k；銅盤材料選擇銅，熱傳導系數設為385w/m-k；永磁體盤材料為不銹鋼，熱傳導系數設為60w/m-k；銅盤鋼架材料為10#剛，熱傳導系數設為39w/m-k；周圍空氣的介質溫度設置為20℃，磁力耦合器中空氣的導熱系數與靜止時候不同，根據經驗公式參考，空氣的熱傳導系數設為2w/m-k。

進口邊界條件設置為速度入口，速度設為2m/s，入口溫度設為20℃；出口邊界條件設置為壓力出口。

由于銅盤的渦流損耗遠大于永磁體和端蓋的損耗，故銅盤的渦流損耗近似于轉差的損耗，銅盤是主要的熱源。銅盤的轉速為1488r/min，永磁體轉速為1400r/min，根據實際情況中的損耗設置其生熱率為5.90×106w/m3，磁力耦合器的散熱系數由很多因素確定，根據經驗公式設置銅盤和銅盤鋼架的散熱系數為111.47（m2·k）-1，永磁體及永磁體盤散熱系數為114.40（m2·k）-1。

此外，為簡化模型，假設：（1）環(huán)境空氣溫度不變；（2）零件表面以熱對流的方式和環(huán)境空氣進行熱交換；（3）忽略冷卻水的重力。冷卻水流動的區(qū)域分為兩部分，即銅盤和銅盤鋼架上各加工1/2的水槽水路配合而成。

4 結果與討論

4.1 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)溫度圖和整體溫度云圖，如圖4所示。從圖中看出水路流經區(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°。

圖4 磁力耦合器整體及部件溫度云圖Fig.4 Temperature Distribution of the Magnetic Coupler and Key Components

圖5 各部件的最高溫度Fig.5 The Maximum Temperature of the Key Components

磁力耦合器各發(fā)熱部件的最高溫度分布，如圖5所示。從圖中可看出沒有散熱時，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工作。

4.2 水槽截面形狀和面積對散熱性能的影響

水槽截面形狀和面積對磁力耦合器散熱必然會有影響，選擇開口中心點位置相同的圓形和矩形兩種截面形狀進行模擬，分析其散熱情況。同時，研究了截面面積對磁力耦合器散熱性能的影響，選擇截面積分別為 36mm2，42.25mm2，49mm2，55.25mm2，64mm2。

水槽截面形狀和面積對磁力耦合器散熱性能的影響，如圖6所示。從圖中可看出相同截面面積下圓形水槽比矩形水槽散熱效果好，使用圓形水槽散熱時銅盤表面溫度比使用矩形水槽低10℃；隨著截面積的增大，銅盤的溫度逐漸降低。但是由于銅盤的厚度較?。?mm），若選擇截面形狀為圓形，則在銅盤上加工的深度（3.4mm）比截面形狀為矩形（3mm）的大，綜合考慮，該選擇水槽的截面形狀為矩形。

圖6 截面形狀和面積對散熱性能的影響Fig.6 The Effect of Cross-Section Shape and Area on the Heat Dissipation

4.3 水流速度對散熱性能的影響

冷卻水的水流速度對磁力耦合器散熱有一定影響，選擇物理模型、邊界條件不變的情況下，研究不同水流速度對磁力耦合器的散熱性能的影響。

冷卻水速度對散熱性能的影響，如圖7所示。由圖可看出，隨著冷卻水速度的升高，單位時間內冷卻水帶走的熱量逐漸增加，銅盤的最高溫度逐漸降低；同時，隨著水流速度的增加，相同時間內流經水槽的水流體積增大，則水流溫升減小。銅盤和冷卻水的最高溫度與冷卻水速度基本是線性變化的關系，當冷卻水速度從1.3m/s升到2m/s時，銅盤的溫度從118.3℃下降到103.8℃，冷卻水的溫度從63.1℃降到49.6℃。

圖7 冷卻水速度對散熱性能的影響Fig.7 The Effect of Velocity of Cooling Water on the Heat Dissipation

4.4 初始水溫度對散熱性能的影響

冷卻水的初始溫度對磁力耦合器散熱性能有一定的影響，選擇初始水溫為（18～25）℃進行仿真分析，（截面形狀為矩形、截面積大小為36mm2，水流速度為2m/s）。分析結果，如圖8所示。從圖中可以看出，銅盤和冷卻水的最高溫度和水的初始溫度呈現出線性變化的關系，水的初始溫度每升高1℃，銅盤的溫度升高大約0.7℃，水的出口溫度升高約為1℃。綜合考慮成本、環(huán)境等因素，選擇初始溫度為20℃。

圖8 初始水溫度對散熱性能的影響Fig.8 The Effect of Initial Temperature of Water on the Heat Dissipation

5 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ANSYS Fluent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。