葛研軍,李佩聰,張 劍,楊小聰
(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)
磁力耦合器(簡稱磁耦)可通過導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁體轉(zhuǎn)子之間的磁力耦合作用實(shí)現(xiàn)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間能量的傳遞。調(diào)速型磁耦可取代變頻器等調(diào)速裝置,且具有無機(jī)械接觸,隔離扭震,過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。
現(xiàn)有調(diào)速型磁耦一般可分為盤式和筒式兩種結(jié)構(gòu)[3],其中盤式結(jié)構(gòu)通過改變永磁體盤與導(dǎo)體盤之間的氣隙長度進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[4];而筒式則通過改變軸向磁通面積進(jìn)行調(diào)速[5];但無論上述的何種結(jié)構(gòu),其調(diào)速方式均為轉(zhuǎn)差調(diào)速,具有轉(zhuǎn)差大其發(fā)熱量也大的特性[6]。另外,現(xiàn)有磁耦的調(diào)速機(jī)構(gòu)為花鍵結(jié)構(gòu),通過調(diào)速機(jī)構(gòu)使導(dǎo)體(或永磁體)轉(zhuǎn)子沿花鍵副軸向移動(dòng)來改變導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁體轉(zhuǎn)子的氣隙長度或軸向磁通面積進(jìn)行調(diào)速,不僅調(diào)速精度低而且頻繁調(diào)速時(shí)花鍵副極易磨損并造成調(diào)速機(jī)構(gòu)無法工作[7]。
而繞線式磁耦可通過電刷及滑環(huán)將磁耦內(nèi)部的感生電流引出至外部電阻箱中,從而解決磁耦轉(zhuǎn)差大其發(fā)熱也大的問題。但大功率繞線式磁耦在轉(zhuǎn)差最小的額定狀態(tài)下仍存在較大的發(fā)熱量;以1000kW轉(zhuǎn)差為1%的繞線式磁耦為例,其在額定狀態(tài)下的發(fā)熱量仍將達(dá)到10kW 左右,如此大的發(fā)熱量,若無合理的風(fēng)路設(shè)計(jì)及散熱結(jié)構(gòu),繞線式磁耦內(nèi)部溫度的積累將使永磁轉(zhuǎn)子中的永磁體因溫度升高而產(chǎn)生不可逆退磁,導(dǎo)致繞線式磁耦所帶的傳動(dòng)系統(tǒng)失效而無法正常工作[8]。
因此,以1000kW繞線式磁耦為例,分析了磁耦內(nèi)部熱源的分布及特點(diǎn),提出了一種適于大功率繞線式磁耦的空冷散熱結(jié)構(gòu),即通過外部冷空氣與繞線式轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行對(duì)流換熱,從而將熱量散出。
繞線式磁耦(Winding Type Magnetic Coupler,WMC)機(jī)械結(jié)構(gòu),如圖1所示。
圖1 繞線式永磁調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Winding Permanent Magnet Speed Regulator
圖1中,輸入軸1由外動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)使外軛鐵2及永磁體3做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),永磁體3形成的旋轉(zhuǎn)磁場切割繞線式轉(zhuǎn)子4并在其中產(chǎn)生感生電流,該感生電流在磁場中受洛倫茲力作用,從而驅(qū)動(dòng)輸出軸5將負(fù)載所需的動(dòng)力輸出。
設(shè)圖1所示的永磁外轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n1恒速旋轉(zhuǎn),其所對(duì)應(yīng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n,則永磁外轉(zhuǎn)子與導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速為(n1-n),此時(shí)轉(zhuǎn)子感生電流的交變頻率f2為:
設(shè)永磁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的主磁通為φ1,導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為ω2,永磁轉(zhuǎn)子對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢為E2s,則:
式中:ω2、kω2—導(dǎo)體轉(zhuǎn)子繞組每項(xiàng)匝數(shù)及繞組系數(shù);E2—繞線式轉(zhuǎn)子靜止時(shí)繞組的感生電勢。
由式(2)可知,WMC 運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的感生電勢等于其繞線式轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的感生電勢與轉(zhuǎn)差率s的乘積。
由式(2)可知,繞線式轉(zhuǎn)子的感生電勢及電流將隨轉(zhuǎn)差率的增大而增大;由于額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率最小,因此額定運(yùn)行條件下的發(fā)熱量也最??;調(diào)速時(shí),若不外接電阻箱,則隨著轉(zhuǎn)差的增大,繞組內(nèi)的感生電勢及電流也將增大,由于熱損耗功率與電流的平方成正比,因此WMC的發(fā)熱量將急劇上升。
但若將與導(dǎo)線8相連的外串電阻箱(圖1中未畫出)接通,繞線式轉(zhuǎn)子4中的感生電流將通過滑環(huán)6與電刷7流入電阻箱中,由于電阻箱的分壓作用,使繞線式轉(zhuǎn)子4中的感生電流減小,其所受的洛倫茲力及熱損耗均減小,輸出轉(zhuǎn)速也隨之減??;而剩余的絕大多數(shù)熱量則通過外串電阻箱散出。
綜上,WMC額定狀態(tài)下的感生電流最大,因此僅對(duì)額定狀態(tài)下的WMC進(jìn)行風(fēng)路及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。
WMC具體性能參數(shù)為:輸入轉(zhuǎn)速1500r/min,額定轉(zhuǎn)差1%,額定功率1000kW,額定轉(zhuǎn)矩6367Nm。
由于WMC與繞線式電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性相當(dāng),因此可借鑒繞線式電機(jī)相關(guān)尺寸,確定WMC機(jī)械結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù),如圖2和表1所示。
圖2 WMC機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical Structure of WMC
表1 WMC機(jī)械結(jié)構(gòu)Tab.1 Mechanical Structure of WMC
表1中,D3與D4之間的單邊氣隙寬度為5mm,軸向長度為l=480mm。由于轉(zhuǎn)差作用,WMC中的定子繞組會(huì)產(chǎn)生感生電流及功率損耗,造成繞組溫度升高;當(dāng)繞組溫升高于其他部件時(shí),熱量將以熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流方式傳遞給WMC中的溫度較低部件,如圖3所示。
圖3 熱量傳遞示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Heat Transfer
設(shè)計(jì)的WMC采用空冷式散熱方式,為此,可對(duì)其做出如下假設(shè):
(1)外界環(huán)境溫度恒定;
(2)繞線式轉(zhuǎn)子的內(nèi)外表面、永磁體內(nèi)表面及外轉(zhuǎn)子外表面均以熱對(duì)流方式與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換;
(3)忽略輻射散熱,僅考慮熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流。
WMC運(yùn)行過程中將產(chǎn)生各種損耗,包括內(nèi)、外轉(zhuǎn)子鐵損,永磁體及銅導(dǎo)線的銅損;為縮短仿真時(shí)長,可將WMC中的繞線式轉(zhuǎn)子視為唯一熱源。
由于額定狀態(tài)下1000kW 的WMC 最大熱損耗為10kW,為保證一定的安全系數(shù),可設(shè)定熱損耗P0為10×1.3=13kW。
基于上述假設(shè),可知圖3中的由熱源發(fā)出的熱量最后均為對(duì)流換熱的形式流入外界環(huán)境中,熱傳導(dǎo)僅發(fā)生在固體與固體之間,因此WMC總散熱量為:
式中:Q—流經(jīng)固體壁面的總熱量,單位W;αi—散熱系數(shù),單位W/(m2·K);ΔTi—流體與固體壁面直接的溫差,單位K;Ai—流經(jīng)固體壁面的面積,單位為m2。
式(3)所述的散熱系數(shù)可展現(xiàn)流體與固體表面之間的換熱能力,即固體表面與接觸流體間溫差為1℃時(shí),單位時(shí)間及單位面積上通過對(duì)流與流體交換的熱量。其數(shù)值的大小受參與換熱過程流體的物理性質(zhì)、換熱表面以及流體流速的影響,因此理論計(jì)算過程比較復(fù)雜,但在實(shí)際應(yīng)用中可通過相似理論進(jìn)行求解[9]。
系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),熱源發(fā)熱量應(yīng)與對(duì)流換熱的散熱量相等,即Q=P0;ΔTi則為已知許用溫度,為求證各散熱表面積Ai是否合理,需求出式(3)所需的各散熱系數(shù)αi。
由文獻(xiàn)[9]可知:
式中:α0—所求表面在自然狀態(tài)下的散熱系數(shù);k—α0所對(duì)應(yīng)的材料系數(shù),vi則為空氣流經(jīng)所求表面的線速度,且有:
式中:ni—所求表面所在軸的轉(zhuǎn)速。
WMC中的對(duì)流換熱主要在圖2所示的繞線式轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面,外轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面及繞線式轉(zhuǎn)子兩個(gè)端面進(jìn)行;若設(shè)所需的總散熱表面積為A,則有:
由文獻(xiàn)[9]可得α0和k值分別為20W/(m2/K)及1.5(s/m)1/2;由式(4)及式(5)并結(jié)合表1,可得各表面散熱系數(shù),如表2所示。
表2 各表面散熱系數(shù)Tab.2 Surface Heat Dissipation Coefficients
而繞線式轉(zhuǎn)子兩個(gè)端面的線速度vi可利用均方根速率進(jìn)行相同計(jì)算,并以此獲得其散熱系數(shù)為172.69W/(m2/K)。
將所獲得的αi及Ai分別代入式(3)及式(6)中計(jì)算,即可確定所需A。
按計(jì)算出的A及圖2所示磁路結(jié)構(gòu),可得機(jī)械模型及風(fēng)路結(jié)構(gòu),如圖4所示。圖4在圖2所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,加入了軸流式風(fēng)扇6,并將輸出軸5改造成鐵幅軸結(jié)構(gòu)以形成與外界相通的風(fēng)路結(jié)構(gòu)。
圖4 WMC機(jī)械模型及風(fēng)路結(jié)構(gòu)Fig.4 Mechanical Model and Wind Circuit Structure of WMC
圖4 中,流體(冷空氣)由軸流式風(fēng)扇6 進(jìn)入,通過輸出軸5的鐵幅軸通道,并經(jīng)繞線式轉(zhuǎn)子4 與永磁體3 之間的氣隙進(jìn)行對(duì)流換熱,以此將繞線式轉(zhuǎn)子4 的外表面及永磁體的內(nèi)表面所形成的熱量帶走;為迫使流體進(jìn)入氣隙中,圖2及圖4所示的輸入軸與外軛鐵剛性相連部分應(yīng)為封閉狀態(tài),即不與外界進(jìn)行流體熱交換;為節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間,可將圖2中的輸入軸1改為圖4的圓板結(jié)構(gòu)。將圖4模型導(dǎo)入Solidworks Flow Simulation,并設(shè)定流體計(jì)算域、流體熱屬性及環(huán)境屬性等載荷和邊界條件,然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、目標(biāo)求解定義與控制等,可得模型仿真結(jié)果,如圖5~圖7所示。
圖5 WMC流體仿真Fig.5 Fluid Simulation of WMC
圖5為WMC流體仿真結(jié)果;其中,圖5(a)為流體跡線,圖5(b)為壓強(qiáng)切面云圖。由圖5(a)可知,流體跡線符合圖4所示風(fēng)路結(jié)構(gòu)要求;其中,流體在鐵幅軸通道中的流線較密且流速較慢(平均流速為32.07m/s);而在外轉(zhuǎn)子內(nèi)表面與繞線式轉(zhuǎn)子外表面所形成的跡線卻較疏,但流速較快(平均速度為56.89m/s)。
上述原因是由圖5(b)所示風(fēng)壓造成的。圖5(b)中,氣隙通道入口點(diǎn)ɑ處為高壓區(qū)(壓強(qiáng)為101.9kPa),當(dāng)流體由風(fēng)扇進(jìn)入鐵幅軸通道到達(dá)高壓區(qū)域前,因點(diǎn)ɑ所示的高壓區(qū)域風(fēng)阻較大,因此造成鐵幅軸通道內(nèi)的流線較密且流速較慢。
由圖5(b)可知,點(diǎn)b所示出口側(cè)的平均壓強(qiáng)為101.1kPa,其與點(diǎn)ɑ處的壓差為0.8kPa;在壓差作用下,流體由點(diǎn)ɑ處的高壓流向點(diǎn)b處的低壓,流體流速較快;上述壓差保證了流體與繞線式轉(zhuǎn)子外表面(熱源)和永磁體內(nèi)表面的強(qiáng)制對(duì)流換熱。WMC永磁體表面溫度分布云圖,如圖6所示。
圖6 WMC永磁體表面溫度云圖Fig.6 Surface Temperature Cloud of WMC Permanent Magnet
由圖6 可知,永磁體最高溫度位于永磁體最右端(其值為70.33℃);這是因?yàn)橛来朋w最右端為風(fēng)路末端的流體出口,當(dāng)流體通過風(fēng)路與固體壁面進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí),流體溫度將逐漸升高,導(dǎo)致流體與固熱壁面的溫差值ΔT逐漸縮小進(jìn)而引起Q的減小,即溫度會(huì)沿永磁體軸向長度方向也就是風(fēng)路方向逐漸積累,并在其最末端達(dá)到最高溫度。
由圖6還可知,永磁體平均溫度僅為65.51℃,遠(yuǎn)離N35H的最高許用溫度(80℃)。繞線式轉(zhuǎn)子鐵心溫度分布云圖,如圖7所示。其中,圖7(a)為三維狀態(tài)下繞線式轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面溫度云圖,而圖7(b)則為圖7(a)高溫帶的溫度切面云圖。
圖7 WMC繞線式轉(zhuǎn)子溫度分布Fig.7 Temperature Distribution of WMC Winding Rotor
由圖7(a)可知,由于繞線式轉(zhuǎn)子鐵心兩側(cè)端面的換熱效率隨軸向距離的增加而降低,因此在其內(nèi)、外表面的中間處形成一條高溫環(huán)狀帶。由圖7(b)可看出,圖7(a)所示的高溫環(huán)狀帶存在四個(gè)高溫區(qū),這是因?yàn)殍F心與鐵幅軸相互連接處存在溫度差,該溫差可將熱量以熱傳導(dǎo)方式從鐵心傳到至鐵幅軸,再經(jīng)鐵幅軸表面與流體進(jìn)行對(duì)流換熱。由于熱傳導(dǎo)過程中熱阻與距離成正比[10],因此在距鐵幅軸連接處較遠(yuǎn)的位置形成了圖7(a)與圖7(b)所示的高溫區(qū)。由圖7 還可知,繞線式轉(zhuǎn)子鐵心的平均溫度為117.69℃,最高溫度為133.25℃,即其溫升可控制在繞線式轉(zhuǎn)子導(dǎo)線的F級(jí)絕緣許用溫度范圍(155℃)內(nèi)。
(1)WMC的主要熱源為繞線式轉(zhuǎn)子中的銅導(dǎo)線,其在額定狀態(tài)下的感生電流最大,發(fā)熱量也最大,因此風(fēng)路結(jié)構(gòu)滿足額定狀態(tài)下的散熱條件即可。(2)由于軸流式風(fēng)扇的作用,使WMC的氣隙寬度在軸向長度上存在壓差,該壓差可使流體自外界進(jìn)入鐵幅軸通道,并經(jīng)WMC氣隙寬度流出以與外界冷空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。(3)通過氣隙寬度的流體可與永磁體內(nèi)表面與繞線式轉(zhuǎn)子的外表面進(jìn)行對(duì)流換熱,該過程將使溫度沿永磁體軸向長度方向逐漸積累,并在永磁體的風(fēng)路出口端達(dá)到最大值。(4)由于繞線式轉(zhuǎn)子鐵心的換熱效率隨軸向距離的增加而降低,而熱傳導(dǎo)效率又與其傳導(dǎo)距離高度相關(guān),因此繞線式轉(zhuǎn)子的高溫區(qū)為環(huán)狀帶且位于其軸向長度中部,在高溫帶中還存在距鐵幅軸較遠(yuǎn)的四個(gè)高溫區(qū)。