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    基于流固耦合模型的永磁耦合器導(dǎo)體銅盤(pán)散熱研究*

    2021-11-22 04:18:00韓雪巖朱龍飛
    電機(jī)與控制應(yīng)用 2021年10期
    關(guān)鍵詞:銅盤(pán)散熱片導(dǎo)體

    李 嘯, 韓雪巖, 朱龍飛, 馬 鑫

    (沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)中心,遼寧 沈陽(yáng) 110870)

    0 引 言

    永磁耦合器作為一種新型磁傳導(dǎo)裝置,具備軟起動(dòng)和調(diào)速功能,還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但在永磁耦合器運(yùn)行過(guò)程中,其主要做功部件導(dǎo)體銅盤(pán)中會(huì)產(chǎn)生大量渦流損耗,由此產(chǎn)生大量熱量,導(dǎo)致導(dǎo)體銅盤(pán)成為永磁耦合器裝置溫升最高處,如果不及時(shí)將熱量散出,會(huì)導(dǎo)致永磁耦合器整體工作受到影響[1-3]。現(xiàn)階段,風(fēng)冷型永磁耦合器散熱方法主要有:(1)在主要做功部件導(dǎo)體銅盤(pán)外側(cè)端蓋處,添加導(dǎo)風(fēng)散熱片,增大散熱面積,降低溫升;(2)在導(dǎo)體銅盤(pán)外側(cè)端蓋處,進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì),將內(nèi)部熱量導(dǎo)出,降低溫升。永磁耦合器是通過(guò)電磁耦合傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備,在運(yùn)行時(shí),端蓋和導(dǎo)體銅盤(pán)與電機(jī)軸連接,在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí), 若進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì),會(huì)導(dǎo)致盤(pán)體產(chǎn)生形變,使永磁耦合器整機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度降低,因此本文將采用外側(cè)端蓋添加導(dǎo)風(fēng)散熱片方法進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)[4-5]。

    關(guān)于永磁耦合器溫度場(chǎng)和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),許多學(xué)者做出了研究。文獻(xiàn)[6]對(duì)一臺(tái)小功率永磁耦合器進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)研究,設(shè)計(jì)比較環(huán)形直肋和矩形直肋散熱片對(duì)散熱方面的影響。文獻(xiàn)[7]研究了不同氣隙長(zhǎng)度下永磁耦合器中永磁體最高溫度,氣隙長(zhǎng)度的改變對(duì)永磁體溫升影響很大,同時(shí)剩磁和最大磁能積也會(huì)發(fā)生較大變化。文獻(xiàn)[8]在原有冷卻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)永磁耦合器冷卻散熱結(jié)構(gòu),使溫升值下降,永磁體達(dá)到安全工作溫度。文獻(xiàn)[9]提出采用雙向耦合計(jì)算方法,考慮溫度對(duì)磁化器性能的影響以及永磁體磁場(chǎng)和磁特性對(duì)溫度場(chǎng)的影響,實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)和熱場(chǎng)的耦合計(jì)算。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了單向耦合和雙向耦合的仿真結(jié)果。

    本文基于流固耦合和傳熱學(xué)理論模型,利用有限元仿真軟件對(duì)風(fēng)冷型永磁耦合器的導(dǎo)體銅盤(pán)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比,證明了該有限元計(jì)算法的準(zhǔn)確性;設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)風(fēng)散熱片,研究得到徑向式結(jié)構(gòu)為最佳散熱結(jié)構(gòu);分析了導(dǎo)風(fēng)散熱片在不同物理參數(shù)變量下對(duì)永磁耦合器導(dǎo)體銅盤(pán)散熱冷卻的影響。通過(guò)以上計(jì)算分析,為后續(xù)風(fēng)冷型永磁耦合器的散熱冷卻提供了參考依據(jù)。

    1 永磁耦合器模型及其參數(shù)

    在永磁耦合器工作中,電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)體盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)與負(fù)載端的永磁盤(pán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),切割磁感線(xiàn),在導(dǎo)體盤(pán)中產(chǎn)生渦流,該渦流在導(dǎo)體盤(pán)上生成感應(yīng)磁場(chǎng),由于永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)之間的相互作用力,從而帶動(dòng)永磁盤(pán)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)能量的非接觸傳遞。渦流損耗的產(chǎn)生雖可以為永磁耦合器的工作提供輸出轉(zhuǎn)矩,但會(huì)產(chǎn)生大量熱量,影響裝置正常工作。

    因?yàn)閷?dǎo)體銅盤(pán)側(cè)在永磁耦合器正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量,所以在進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)研究時(shí),仿真模型取外側(cè)端蓋、導(dǎo)體銅盤(pán)和散熱片,其余部件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。圖1為永磁耦合器仿真模型,表1為永磁耦合器輸出性能指標(biāo),表2為仿真模型尺寸參數(shù)。

    圖1 永磁耦合器模型

    表1 永磁耦合器性能指標(biāo)

    表2 樣機(jī)尺寸參數(shù)

    2 流體場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

    2.1 流體場(chǎng)分析數(shù)學(xué)模型

    流體場(chǎng)分析主要基于質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程來(lái)建立理論基礎(chǔ)。三大方程可寫(xiě)為如下形式[10-14]。

    能量守恒方程:

    (1)

    式中:T為溫度;cp為流體比熱容;k為流體導(dǎo)熱系數(shù);ST為黏性耗散項(xiàng)。

    質(zhì)量守恒方程:

    (2)

    式中:ρ為流體密度;t為時(shí)間;ux、uy、uz為x、y、z方向所對(duì)應(yīng)的速度分量。

    動(dòng)量守恒方程如下。

    X方向動(dòng)量守恒方程:

    (3)

    Y方向動(dòng)量守恒方程:

    (4)

    Z方向動(dòng)量守恒方程:

    (5)

    式中:ρ為流體單元上所受的壓力;τxx、τyx、τzx、τxy、τyy、τzy、τxz、τyz、τzz為流體單元的剪應(yīng)力分量;fx、fy、fz為流體單元在x、y、z方向所受的單位質(zhì)量力。

    2.2 溫度場(chǎng)分析數(shù)學(xué)模型

    當(dāng)永磁耦合器正常工作時(shí),與周?chē)h(huán)境之間的熱量交換有:熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流,其中熱輻射比重小,故本文只考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流2種形式,可用以下方程表示[15-17]:

    (6)

    式中:λ為求解域內(nèi)各種介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù);T為固體待求溫度;q為熱源密度;α為對(duì)流散熱系數(shù);Tf為附近流體的溫度;s1、s2分別為求解域中的絕熱面、散熱面。

    由于本文在仿真計(jì)算時(shí),采用整體模型進(jìn)行仿真,模型不存在對(duì)稱(chēng)面,所以s1絕熱面不存在;s2面為永磁耦合器與空氣接觸的所有對(duì)流散熱面,包括外側(cè)端蓋、導(dǎo)體銅盤(pán)、導(dǎo)風(fēng)散熱片。

    2.3 流體域模型的建立

    在永磁耦合器工作過(guò)程中,導(dǎo)體銅盤(pán)及端蓋均在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此,需在永磁耦合器整機(jī)模型外側(cè)建立2個(gè)流體區(qū)域,即內(nèi)流域和外流域。內(nèi)流域設(shè)置同樣轉(zhuǎn)速,模擬永磁耦合器實(shí)際旋轉(zhuǎn)過(guò)程。

    由圖2可以看出,永磁耦合器樣機(jī)模型位于內(nèi)流域內(nèi),外流域?qū)⒂来篷詈掀髡麢C(jī)模型和內(nèi)流域包裹。

    圖2 流體計(jì)算區(qū)域

    2.4 熱源的確定

    永磁耦合器溫度場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí),其熱源設(shè)為導(dǎo)體銅盤(pán)的損耗數(shù)值。永磁耦合器工作運(yùn)行在不同氣隙長(zhǎng)度、不同轉(zhuǎn)差下,所產(chǎn)生的渦流損耗是不同的。通過(guò)電磁場(chǎng)仿真計(jì)算不同氣隙長(zhǎng)度、不同轉(zhuǎn)差下導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)損耗數(shù)值。在散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究時(shí),以導(dǎo)體盤(pán)和永磁體盤(pán)之間可調(diào)節(jié)的最小氣隙長(zhǎng)度,導(dǎo)體銅盤(pán)上產(chǎn)生的損耗數(shù)值作為熱源。

    由電磁仿真可得導(dǎo)體銅盤(pán)上產(chǎn)生的渦流損耗為3.296 kW。因此,由熱源密度公式可得永磁耦合器溫度場(chǎng)仿真計(jì)算所需的生熱率:

    (7)

    式中:V為導(dǎo)體銅盤(pán)的體積;Pcu為導(dǎo)體銅盤(pán)所產(chǎn)生的渦流損耗。

    通過(guò)式(7)計(jì)算可得生熱率為5 642 863 W/m3。

    3 樣機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

    3.1 有限元溫度場(chǎng)仿真計(jì)算

    永磁耦合器溫度場(chǎng)計(jì)算使用流體場(chǎng)仿真軟件Fluent進(jìn)行。在仿真計(jì)算過(guò)程中設(shè)置初始溫度為288 K,即15 ℃。仿真研究假設(shè):(1)定常流體;(2)仿真過(guò)程中只研究熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流,忽略熱輻射影響;(3)氣體為不可壓縮牛頓氣體;(4)忽略空氣重力和浮升力。

    圖3為永磁耦合器氣隙長(zhǎng)度為4 mm和6 mm分別對(duì)轉(zhuǎn)差150 r/min和250 r/min進(jìn)行仿真得到的溫升云圖。由圖3可知導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)溫升分層明顯,永磁耦合器在設(shè)計(jì)時(shí),導(dǎo)體盤(pán)和永磁體盤(pán)中間間隙狹窄,內(nèi)部空氣流通困難,運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出,導(dǎo)體銅盤(pán)上靠近中心處溫升明顯高于邊緣處,因此,可在外側(cè)端蓋處添加導(dǎo)風(fēng)散熱片,增加永磁耦合器與空氣接觸面積,將熱量快速導(dǎo)出,確保永磁耦合器正常工作。

    圖3 導(dǎo)體銅盤(pán)溫升圖

    3.2 溫升試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析

    樣機(jī)試驗(yàn)流程如圖4所示,將驅(qū)動(dòng)側(cè)同步電機(jī)、永磁耦合器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和負(fù)載側(cè)磁粉制動(dòng)器安裝在工作臺(tái)上。驅(qū)動(dòng)側(cè)電機(jī)正常工作時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)裝置,調(diào)節(jié)永磁耦合器導(dǎo)體盤(pán)和永磁盤(pán)之間氣隙長(zhǎng)度為4 mm和6 mm。當(dāng)轉(zhuǎn)差達(dá)到150 r/min和250 r/min時(shí)進(jìn)行溫升試驗(yàn),用紅外線(xiàn)測(cè)溫儀測(cè)量導(dǎo)體銅盤(pán)的最高溫度。并計(jì)算溫升值,將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

    圖4 樣機(jī)系統(tǒng)熱試驗(yàn)實(shí)物圖

    表3為溫升試驗(yàn)結(jié)果比較表,由表3中數(shù)據(jù)可知,在無(wú)冷卻散熱系統(tǒng)下,有限元溫度場(chǎng)仿真溫升值與試驗(yàn)溫升值誤差小于10%,證明了溫度場(chǎng)有限元仿真方法有效性,為下文利用該溫度場(chǎng)有限元法計(jì)算最小氣隙長(zhǎng)度、最大轉(zhuǎn)差率下永磁耦合器導(dǎo)體銅盤(pán)溫升值、不同冷卻散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇,以及不同散熱片物理參數(shù)的分析研究提供了可靠方法。

    表3 溫升值比較

    4 散熱影響因素研究

    本文采用在端蓋外側(cè)添加散熱片的方法,對(duì)永磁耦合器進(jìn)行散熱研究。導(dǎo)風(fēng)散熱片散熱能力會(huì)被許多因素影響,本文對(duì)導(dǎo)風(fēng)散熱片的不同參數(shù)進(jìn)行仿真分析,將選擇重要的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真模擬,進(jìn)行單因素試驗(yàn)。保持其他影響因素不變的前提下,研究導(dǎo)風(fēng)散熱片單一變量因素對(duì)其散熱能力的影響。

    4.1 不同散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)4種不同結(jié)構(gòu)的散熱片分別為無(wú)散熱結(jié)構(gòu)、徑向式結(jié)構(gòu)、半圓式結(jié)構(gòu)、弧形式結(jié)構(gòu),如圖5(a)~圖5(d)所示。將不同結(jié)構(gòu)散熱片添加在端蓋外側(cè),以最小氣隙2 mm長(zhǎng)度下,導(dǎo)體銅盤(pán)產(chǎn)生的渦流損耗作為熱源,進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算分析,仿真得到導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度,與未加散熱片導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度比較,選擇最優(yōu)散熱結(jié)構(gòu)。

    圖5 不同散熱片結(jié)構(gòu)圖

    由圖6最高溫度云圖分析可知,在無(wú)散熱結(jié)構(gòu)時(shí),導(dǎo)體銅盤(pán)最高溫度達(dá)到404.31 K,即131.16 ℃。根據(jù)永磁耦合器行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可知[18],風(fēng)冷型永磁耦合器在最小氣隙長(zhǎng)度工作時(shí),導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度不得超過(guò)120 ℃。因此,需要添加導(dǎo)風(fēng)散熱片使永磁耦合器在安全溫度工作。

    圖6 不同散熱片結(jié)構(gòu)最高溫度云圖

    由表4可知當(dāng)添加徑向式時(shí)導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度為391.1 K(118.15 ℃)、添加半圓式時(shí)導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度為396.95 K(123.8 ℃)、添加弧形式時(shí)導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度為395.67 K(122.52 ℃)。與無(wú)散熱結(jié)構(gòu)相比,添加散熱片,導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度可下降約10%,降溫效果顯著。但添加弧形式結(jié)構(gòu)和半圓式結(jié)構(gòu)散熱片后,導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)最高溫度仍然高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的最高溫度120 ℃,因此選擇徑向式結(jié)構(gòu)為最佳散熱結(jié)構(gòu)。

    表4 不同結(jié)構(gòu)溫度降幅

    4.2 散熱片高度及整體阻力矩比較分析

    選擇徑向式散熱片結(jié)構(gòu),研究不同高度散熱片對(duì)散熱效果的影響。仿真過(guò)程中,設(shè)定徑向式散熱片厚度、散熱片個(gè)數(shù)完全相同。在20~56 mm的設(shè)計(jì)高度范圍進(jìn)行等距劃分,以4 mm為間隔劃分共計(jì)10組模型。導(dǎo)入Fluent,進(jìn)行溫度場(chǎng)有限元仿真。

    計(jì)算可知,散熱片高度每增加4 mm,永磁耦合器導(dǎo)體銅盤(pán)的溫升值下降2%~12%,溫升值降幅最高為12.19%。且此時(shí)導(dǎo)體銅盤(pán)最高溫度均低于120 ℃,符合風(fēng)冷永磁耦合器導(dǎo)體銅盤(pán)安全工作溫度標(biāo)準(zhǔn)。散熱片高度增加對(duì)永磁耦合器的熱量導(dǎo)出起著良好的效果。但由圖7可以看出,散熱片高度的增加,同樣對(duì)整體阻力矩上升幅度產(chǎn)生影響。散熱片高度不可無(wú)限增加。由圖8數(shù)據(jù)可知,在32~36 mm高度范圍內(nèi),導(dǎo)體銅盤(pán)溫升值下降明顯,繼續(xù)增加高度,溫升值下降幅度將低于5%,且阻力矩上升34.2%。因此散熱片高度取值可選擇在32~36 mm區(qū)間內(nèi)。

    圖7 溫升值及阻力矩隨高度變化趨勢(shì)圖

    圖8 溫升值隨高度降幅圖

    4.3 散熱片厚度及整體阻力矩比較分析

    確定散熱片合適高度范圍后,改變散熱片厚度研究此因素對(duì)永磁耦合器導(dǎo)體銅盤(pán)側(cè)散熱的影響。仿真過(guò)程中,設(shè)定徑向式散熱片高度、個(gè)數(shù)完全相同。在5~14 mm的設(shè)計(jì)厚度范圍進(jìn)行等距劃分,共計(jì)10組模型,進(jìn)行建模網(wǎng)格剖分,導(dǎo)入Fluent進(jìn)行仿真。

    由仿真分析可知,隨著散熱片厚度每增加1 mm,導(dǎo)體銅盤(pán)溫升值下降了4%~13%,最高降幅可達(dá)13.12%,且最高溫度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),降溫效果良好。由圖9可知,由于整體阻力矩的限制,散熱片厚度不可無(wú)限增加。由圖10可知,當(dāng)散熱片厚度范圍在5~7 mm區(qū)間時(shí),導(dǎo)體銅盤(pán)降溫幅度大,繼續(xù)增加厚度,溫升值下降幅度低于4%,因此散熱片厚度取值范圍為5~7 mm區(qū)間。

    圖9 最高溫度及阻力矩隨厚度變化趨勢(shì)圖

    圖10 溫升值隨厚度降幅圖

    4.4 散熱片個(gè)數(shù)及整體阻力矩比較分析

    仿真過(guò)程中,設(shè)定單一研究變量為散熱片個(gè)數(shù),徑向式散熱片高度、厚度取值完全相同。研究不同個(gè)數(shù)散熱片對(duì)導(dǎo)體銅盤(pán)溫升的影響。端蓋外側(cè)分別設(shè)計(jì)添加4、6、8、10、12、14個(gè)散熱片。共計(jì)7組模型,進(jìn)行建模網(wǎng)格剖分,導(dǎo)入Fluent進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算。

    由圖11可知,散熱片個(gè)數(shù)每增加2個(gè),導(dǎo)體銅盤(pán)最高溫度下降12%~13%,此時(shí)導(dǎo)體銅盤(pán)最高溫度均低于120 ℃,增加個(gè)數(shù)對(duì)熱量的導(dǎo)出有著良好的效果,但整體阻力矩上升較為明顯,由此可知,散熱片個(gè)數(shù)不可無(wú)限增加。由圖12可知,當(dāng)散熱片個(gè)數(shù)為8個(gè)時(shí),溫升值降幅最低為13.54%,繼續(xù)增加散熱片個(gè)數(shù),整體阻力矩上升了12.6%。在對(duì)散熱片個(gè)數(shù)進(jìn)行合理取值時(shí)也需要考慮到溫升值、整體阻力距,以及材耗、經(jīng)濟(jì)性能等多方面因素。因此,最終散熱片個(gè)數(shù)合適取值為8。

    圖11 最高溫度及阻力矩隨散熱片個(gè)數(shù)變化趨勢(shì)圖

    圖12 溫升值隨散熱片個(gè)數(shù)降幅圖

    4.5 徑向式散熱片對(duì)風(fēng)速的影響分析

    由圖13可知,當(dāng)添加徑向式導(dǎo)風(fēng)散熱片后,與無(wú)散熱結(jié)構(gòu)相比,導(dǎo)體銅盤(pán)內(nèi)側(cè)熱量集中的位置,其流速增大,且越靠近外圈,空氣流動(dòng)速度越快,在最外圈時(shí)空氣流動(dòng)速度達(dá)到最大值37.35 m/s。流速增加了34.1%。

    圖13 優(yōu)化前后流跡線(xiàn)圖

    流速的升高可使導(dǎo)體銅盤(pán)溫度降低,提高此處的對(duì)流換熱系數(shù),使導(dǎo)體銅盤(pán)內(nèi)部熱量更快速地從散熱片導(dǎo)出,降低溫升值。本文導(dǎo)風(fēng)散熱片安裝于永磁耦合器端蓋外側(cè)外圈空氣流動(dòng)速度較大區(qū)域,可以使散熱效果更好。

    5 結(jié) 語(yǔ)

    本文基于流固耦合模型對(duì)一臺(tái)適用于15 kW永磁電機(jī)工作場(chǎng)合、小功率風(fēng)冷型永磁耦合器導(dǎo)體銅盤(pán)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)以及分析不同變量因素對(duì)冷卻效果的影響。得出如下結(jié)論:

    (1) 在無(wú)散熱結(jié)構(gòu)時(shí),實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)與有限元仿真相比較,誤差小于10%,證明了基于流固耦合模型下有限元仿真準(zhǔn)確有效。當(dāng)本文所用永磁耦合器添加徑向式散熱片后,最高溫升值下降了9.91%,研究可得徑向式散熱片結(jié)構(gòu)對(duì)于降低溫升,導(dǎo)出熱量具有一定效果。

    (2) 不同變量因素對(duì)散熱效果的影響很大,徑向式散熱片高度、寬度、個(gè)數(shù)的增加可以有效降低溫升,最高降幅可達(dá)13.54%,效果明顯,為風(fēng)冷型永磁耦合器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定參考。

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