磁性珩磨系統(tǒng)損耗分析及溫升優(yōu)化

郭慧棟，姚新改，李冬生，李亞鋒

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

1 引言

磁性珩磨技術(shù)是一項新的工藝方法，結(jié)合了珩磨技術(shù)和磁力驅(qū)動技術(shù)，利用永磁材料或電磁鐵所產(chǎn)生磁力作用，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和力的無接觸傳遞。磁性珩磨系統(tǒng)工作時，磁場發(fā)生器通入三相交流電源產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動珩磨頭在不銹鋼管內(nèi)腔作圓周運(yùn)動[1]，并緊貼不銹鋼管內(nèi)壁相對運(yùn)動產(chǎn)生磨削力，可以對鋼管內(nèi)壁的氧化皮進(jìn)行加工處理。磁性珩磨技術(shù)的出現(xiàn)，為不銹鋼管內(nèi)壁加工難的問題提供了一種新的解決方法。

磁性珩磨系統(tǒng)在工作過程中，電磁能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，其內(nèi)部會產(chǎn)生各種損耗。由于磁性珩磨系統(tǒng)是復(fù)雜的不均勻發(fā)熱體，產(chǎn)生的損耗都會以熱量的形式從內(nèi)部傳遞到表面，使磁性珩磨系統(tǒng)溫升過高，影響正常加工。

通過對磁性珩磨系統(tǒng)內(nèi)部損耗展開分析，探究損耗來源及影響因素，提出減小損耗的方法，施以水冷并改進(jìn)珩磨頭，進(jìn)行溫度場仿真，通過實驗加以分析。為解決磁性珩磨系統(tǒng)發(fā)熱問題，提供了理論數(shù)據(jù)和解決措施。

2 磁性珩磨系統(tǒng)模型創(chuàng)建

磁性珩磨系統(tǒng)有凸極式和隱極式兩種珩磨頭，當(dāng)采用隱極式磁性珩磨頭時，磁性珩磨系統(tǒng)能夠擁有更高的電磁轉(zhuǎn)矩[2]。其二維模型，如圖1所示。各項基本參數(shù)，如表1所示。

圖1 電磁式磁性珩磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Electromagnetic Magnetic Honing System Structure Diagram

表1 磁性珩磨系統(tǒng)基本參數(shù)Tab.1 Basic Parameters of Magnetic Honing System

3 磁性珩磨系統(tǒng)內(nèi)部損耗分析

3.1 銅耗分析

3.1.1 銅耗計算理論

磁性珩磨系統(tǒng)的銅耗是由磁場發(fā)生器接通電源后，電流流過其繞組產(chǎn)生的。影響因素主要是通過繞組電流和繞組電阻，銅耗的求解公式為：

式中：I—通過繞組的電流（A）；R—繞組電阻（Ω）。

由于磁場發(fā)生器繞組采用的是單層鏈?zhǔn)嚼@法，其線徑比較小，且工作頻率在50Hz以下，處于低頻段，因此可以不考慮集膚效應(yīng)[3]的影響。所以，磁性珩磨系統(tǒng)的銅耗主要由電流大小決定。

3.1.2 銅耗計算

磁性珩磨系統(tǒng)允許的最高溫度約為75℃，此時對應(yīng)的線圈相電阻為4.82Ω。使用有限元軟件CEDRAT Flux對穩(wěn)態(tài)工作條件下磁性珩磨系統(tǒng)的銅損耗進(jìn)行仿真計算，仿真時間設(shè)定為磁性模具旋轉(zhuǎn)一周所用的時間，即永磁珩磨頭的旋轉(zhuǎn)周期。三相繞組銅耗在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的變化，如圖2所示。

圖2 三相繞組銅耗在一個穩(wěn)定周期內(nèi)的變化Fig.2 Three-phase Winding Copper Consumption in a Stable Period of Change

由仿真計算結(jié)果，在穩(wěn)態(tài)工況下，銅耗有效值約為198.04W。

在進(jìn)行銅耗控制時，要在滿足加工要求下，控制負(fù)載電流，如采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法減小銅耗，控制發(fā)熱。

3.2 鐵耗分析

3.2.1 鐵耗計算理論

根據(jù)經(jīng)典鐵耗理論，由于產(chǎn)生機(jī)理的不同[4]，可將鐵芯損耗分解為磁滯損耗（Ph），渦流損耗（Pc）和附加損耗（Pe）。其計算表達(dá)式分別為：

總鐵耗為：PFe=Ph+Pc+Pe

式中：f—磁場頻率；Bm—磁密幅值；α、kh、kc、ke—磁滯損耗計算參數(shù)、磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)、附加損耗系數(shù)，需針對磁場發(fā)生器鐵芯特性進(jìn)行計算擬合得到。

磁場發(fā)生器采用的鐵芯材料是DW465-50型號的硅鋼片，查閱并選取其不同頻率下的損耗曲線，然后使用曲線擬合工具進(jìn)行擬合[5]，得到各損耗系數(shù)分別為：kh=35.18，α=1.735，kc=18.73，ke=3.25。

3.2.2 鐵耗計算及不同轉(zhuǎn)速下鐵耗分析

磁性珩磨系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速1400r/min，額定負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)正弦電流供電時，一個穩(wěn)定周期內(nèi)的鐵耗變化結(jié)果，如圖3所示。鐵耗密度分布，如圖4所示。

圖3 額定轉(zhuǎn)速下的鐵芯損耗Fig.3 Core Loss Under Rated Load

圖4 額定轉(zhuǎn)速下的鐵耗密度分布Fig.4 Iron Consumption Density Distribution Under Rated Load

磁性珩磨系統(tǒng)額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時，其鐵芯損耗的計算結(jié)果有效值約為122.30W。由圖6可以看出鐵芯梨形槽周圍的鐵耗密度最高。對不同轉(zhuǎn)速下磁場發(fā)生器鐵耗進(jìn)行分析。選取的五個轉(zhuǎn)速為 300r/min、600r/min、900r/min、1200r/min 和 1400r/min，鐵耗各部分隨轉(zhuǎn)速變化，如圖5所示。

圖5 各部分鐵耗隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.5 Parts of the Iron Consumption With the Change of Speed

隨著轉(zhuǎn)速升高，鐵耗也在不斷增加。而且隨著轉(zhuǎn)速的上升，渦流損耗比磁滯損耗增加得更快。當(dāng)轉(zhuǎn)速為600r/min時，總鐵耗為43.56W，相較額定轉(zhuǎn)速下降了64%，此時仍能滿足加工要求。因此可以通過降低轉(zhuǎn)速以減小鐵耗，達(dá)到減小溫升，使磁性珩磨系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

4 磁性珩磨系統(tǒng)溫度場優(yōu)化

4.1 水冷循環(huán)裝置及珩磨頭改進(jìn)

為減小磁性珩磨系統(tǒng)的發(fā)熱，從外部和內(nèi)部兩方面考慮。外部加入水冷循環(huán)裝置，采用水泵驅(qū)動的內(nèi)循環(huán)強(qiáng)制水冷，優(yōu)化磁性珩磨系統(tǒng)的散熱，選取水溫為25℃，水速0.6m/s。裝置如圖6所示。內(nèi)部進(jìn)行珩磨頭的設(shè)計改進(jìn)，通過優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)能獲得更高的電磁轉(zhuǎn)矩，并且減小機(jī)械損耗。使用改進(jìn)后的第二代珩磨頭。二代珩磨頭在600r/min轉(zhuǎn)速時摩擦損耗及風(fēng)磨損耗約為12W，相較初代珩磨頭降低了52%。

圖6 水冷循環(huán)系統(tǒng)Fig.6 Water-cooled Circulation System

4.2 溫度場仿真

對磁性珩磨系統(tǒng)進(jìn)行溫度場仿真，強(qiáng)制水冷對流換熱系數(shù)取1000W/（m2·℃）[6]。轉(zhuǎn)速設(shè)置為600r/min，將各部分的功率損耗作為熱源，添加到Flux模型中進(jìn)行熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)分析。磁性珩磨系統(tǒng)相關(guān)材料屬性，如表2所示。

表2 相關(guān)材料屬性Tab.2 Related Material Properties

得到穩(wěn)態(tài)下磁性珩磨系統(tǒng)的溫度分布，如圖7所示?？梢钥闯觯藭r磁性珩磨系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時最高溫度位于梨形槽繞組處，約為65℃，在系統(tǒng)允許的最高溫度75℃以下，符合穩(wěn)定加工的條件。

圖7 水冷狀態(tài)下磁性珩磨系統(tǒng)溫度分布Fig.7 Temperature Distribution of Magnetic Honing System in Water Cooled Condition

5 磁性珩磨系統(tǒng)溫升實驗

5.1 實驗內(nèi)容

以磁性珩磨系統(tǒng)加工過程中的溫升為例，控制水冷條件和轉(zhuǎn)速兩個實驗變量，保持其他條件相同，室溫為25℃，實驗中均采用二代珩磨頭。分別進(jìn)行四組實驗。測量每組實驗溫度變化達(dá)到平衡后，磁性珩磨系統(tǒng)的最高溫度。

實驗裝置：磁性珩磨系統(tǒng)，如圖8所示。

實驗?zāi)康模悍治鏊溲b置和轉(zhuǎn)速對磁性珩磨系統(tǒng)溫升的影響。

檢測方法：檢測工具為接觸式熱電偶溫度儀，測量溫升變化平衡后系統(tǒng)最高溫度。

圖8 磁性珩磨實驗裝置Fig.8 Magnetic Honing Experimental Device

5.2 實驗結(jié)果分析

四組實驗的溫升變化平衡后，最高溫度均位于線圈繞組處。實驗結(jié)果，如表3所示。

表3 溫升實驗結(jié)果Tab.3 Temperature Rise test Results

分析實驗結(jié)果可知，水冷和降低轉(zhuǎn)速都能夠達(dá)到一定的控制溫升的效果，水冷效果更加顯著。單獨采用水冷裝置時，系統(tǒng)的最高溫度為74.6℃，而磁性珩磨系統(tǒng)允許的最高溫度為75℃，接近臨界溫度值，此時不能保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定持續(xù)地運(yùn)行。

將轉(zhuǎn)速降低到600r/min，同時開啟水冷設(shè)備，此時系統(tǒng)最高溫度為69.3℃，與仿真結(jié)果相差6.6%，在工程誤差范圍內(nèi)。且此時在70℃以下，遠(yuǎn)離了臨界溫度值，磁性珩磨系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定地加工。

6 結(jié)語

（1）內(nèi)部損耗是磁性珩磨系統(tǒng)發(fā)熱的原因，通過對系統(tǒng)銅耗和鐵耗的分析，探究了影響損耗的因素及其變化規(guī)律，為減小磁性珩磨系統(tǒng)的損耗提供了理論數(shù)據(jù)和相應(yīng)措施。（2）加入水冷循環(huán)裝置，并改進(jìn)珩磨頭減小機(jī)械損耗，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降低至600r/min，進(jìn)行溫度場的優(yōu)化仿真。仿真結(jié)果表明此時符合穩(wěn)定加工的溫度要求。（3）進(jìn)行磁性珩磨系統(tǒng)溫升實驗，分析水冷和轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)溫升的影響。實驗結(jié)果表明水冷措施和降低轉(zhuǎn)速相結(jié)合時，最高溫度為69.3℃，遠(yuǎn)離了臨界溫度值75℃，此時系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定加工。