磁力耦合器散熱盤傳熱特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)改進

程剛，郭永存 王爽，陳健康

(安徽理工大學機械工程學院 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室(安徽理工大學)，安徽淮南23200) (安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

磁力耦合器散熱盤傳熱特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)改進

程剛，郭永存 王爽，陳健康

(安徽理工大學機械工程學院 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室(安徽理工大學)，安徽淮南23200) (安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

以一臺45kW雙盤異步空冷式永磁渦流傳動調(diào)速器為研究對象，采用仿真模擬的方法對該磁力耦合調(diào)速器散熱盤熱學特性進行了仿真計算與分析。結(jié)果表明，在設(shè)定條件下，銅轉(zhuǎn)子模型溫升梯度由銅轉(zhuǎn)子中部沿徑向外擴散，最高溫度為533℃。選取散熱結(jié)構(gòu)中基板直徑、厚度、翅片數(shù)量、高度與厚度為影響因素進行敏感度分析，在設(shè)定參數(shù)值內(nèi)，基板厚度對銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較低，對模型總體質(zhì)量影響敏感度較高；基板直徑、翅片數(shù)量、翅片高度對銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較大，對模型總體質(zhì)量影響敏感度較低；翅片厚度對銅轉(zhuǎn)子最高溫度幾乎無影響，但對模型總體質(zhì)量影響敏感度較高。基于敏感度分析結(jié)果，合理選取散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)為基板直徑?380mm、翅片數(shù)量28片和翅片高度24mm，仿真結(jié)果表明，改進后銅轉(zhuǎn)子模型最高溫度為48℃，相比之前下降103%，優(yōu)化后模型質(zhì)量為166kg，相比之前增長121%。

磁力；耦合器；散熱；傳熱；優(yōu)化

磁力耦合傳動是目前興起的一門傳動技術(shù)，其發(fā)展歷時并不久遠，但發(fā)展迅速，近幾年研究態(tài)勢尤為迅猛。20世紀30年代，磁力傳動技術(shù)就被提出。1946年，英國HMD無泄漏磁力泵公司將世界上第1臺磁力傳動泵推向市場并得到工業(yè)應(yīng)用[1]；2008年，美國Magna Drive公司將永磁耦合傳動技術(shù)引入中國；2016年，我國又將“永磁渦流柔性傳動節(jié)能技術(shù)”列入《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》。磁力耦合傳動裝置是指在外力的作用下，利用傳動部件中主、從動磁場產(chǎn)生的耦合力來實現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩無接觸傳遞的一種具備超矩特性與機械傳動組合的新型傳動裝置，磁力耦合傳動裝置具有結(jié)構(gòu)簡易、體積較小、環(huán)境適應(yīng)性強、節(jié)能減排、使用壽命長和安裝方便等優(yōu)點[1，2]，工業(yè)應(yīng)用前景極為廣闊。國內(nèi)外學者對磁力耦合傳動機理與結(jié)構(gòu)設(shè)計做出了眾多貢獻[3～8]，隨著理論的成熟與實踐應(yīng)用的普及，當前以磁力傳動基礎(chǔ)開發(fā)的產(chǎn)品也被越來越多的企業(yè)用戶所接受，應(yīng)用范圍也逐步加大。

然而，在磁力耦合傳動技術(shù)飛速發(fā)展的同時，在理論與實踐中存在的一些技術(shù)性問題仍未得到恰當?shù)慕鉀Q，如散熱問題[9，10]。磁力耦合傳動系統(tǒng)在運行時，磁感應(yīng)渦流損耗會產(chǎn)生大量的熱，這會使系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，溫升情況會影響導電材料的電導率與永磁材料磁性工作特性等，從而影響磁力耦合傳動系統(tǒng)運行可靠性[11]，嚴重時會引起系統(tǒng)的故障。隨著磁力耦合傳動裝置傳遞功率的增大，溫升情況將更為嚴重，散熱問題更加突出。以永磁渦流耦合調(diào)速器產(chǎn)品為例，當前主要采用空氣和水冷卻這2類方式來降低系統(tǒng)的溫升影響，單機功率低于450kW一般以空氣冷卻方式為主，單機功率高于450kW一般以水冷卻方式為主。水冷卻方式將會額外增加設(shè)備成本，并且使整機結(jié)構(gòu)體積增大，因而，盡可能改善以空氣冷卻方式的磁力耦合傳動裝置散熱性能，最大程度地降低磁力耦合傳動系統(tǒng)中零部件溫度、合理設(shè)計其散熱結(jié)構(gòu)將具有重要的研究意義與工程應(yīng)用價值。下面，筆者以一臺45kW雙盤異步式永磁渦流傳動調(diào)速器(型號RDCOT310F，空氣冷卻式)為例，選取散熱結(jié)構(gòu)中基板直徑、厚度、翅片數(shù)量、高度與厚度為影響因素，采用仿真模擬的方法對該磁力耦合調(diào)速器散熱盤的熱學特性進行了計算與分析，以期獲得其因素影響特點與結(jié)構(gòu)改進參數(shù)，為大功率的空氣冷卻式磁力耦合傳動裝置散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供指導。

1 散熱盤物理模型的構(gòu)建

雙盤異步式永磁渦流傳動調(diào)速器中永磁轉(zhuǎn)子(包括永磁體、鋁制槽盤與端蓋)與銅轉(zhuǎn)子(包括銅盤、鐵磁盤與散熱盤)之間在工作時產(chǎn)生相對運動，永磁轉(zhuǎn)子上所嵌入的永磁體切割銅盤產(chǎn)生渦流感應(yīng)，進而通過磁感應(yīng)耦合作用來傳遞轉(zhuǎn)矩，永磁轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子之間存有氣隙，通過氣隙可以調(diào)節(jié)負載輸出端的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，實際結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。由于運行時存在渦流感應(yīng)，因而銅轉(zhuǎn)子上將會產(chǎn)生渦流熱能，并以熱傳導、熱對流和熱輻射3類方式向外散熱，銅轉(zhuǎn)子上安裝的散熱盤(基板、翅片)將起到重要的散熱作用，因而提高散熱盤的散熱性能至關(guān)重要。為方便研究，忽略類似于倒角、圓角、螺釘?shù)燃毠?jié)，對散熱盤的結(jié)構(gòu)進行模型簡化，散熱盤為一零件體，研究時可分為基板與翅片2部分。以單側(cè)盤為研究對象，簡化銅轉(zhuǎn)子與散熱盤物理模型如圖1(b)和(c)所示，銅轉(zhuǎn)子相關(guān)零件的材料熱物理屬性如表1所示。原始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：基板厚度a=5mm，基板直徑d=340mm，翅片數(shù)量m=20片，翅片高度h=15mm，翅片厚度t=3mm，單側(cè)銅轉(zhuǎn)子模型初始質(zhì)量M=14.8kg。

注：1-鐵磁盤 ；2-銅盤；3-永磁轉(zhuǎn)子；4-基板；5-翅片。圖1 結(jié)構(gòu)與物理模型

零件名稱材料名稱熱傳導系數(shù)/(W·(m·℃)-1)比熱容/(J·(kg·℃)-1)密度/(kg·m-3)銅 盤銅3903908900鐵磁盤Q235434407850散熱盤Q235434407850

2 散熱盤熱學仿真計算與分析

2.1 熱學分析與假設(shè)

在熱學分析中，按照傳熱機理的不同，熱量的傳遞方式分為熱傳導、熱對流和熱輻射3類。為使仿真計算更加貼近散熱盤的傳熱工況，筆者以包含散熱盤在內(nèi)的單側(cè)銅轉(zhuǎn)子為整體研究對象，銅轉(zhuǎn)子模型包含銅盤、鐵磁盤和散熱盤(含基板與翅片)3部分。銅轉(zhuǎn)子的熱量傳遞與散發(fā)過程為：銅盤為熱源，它與鐵磁盤相互接觸，從而實現(xiàn)導熱；鐵磁盤與散熱盤相互接觸，實現(xiàn)導熱。銅盤自身和鐵磁盤及散熱盤的所有外表面主要以對流與熱輻射方式向環(huán)境散發(fā)熱量。為簡化求解模型，作以下假設(shè)：

1)銅盤上不考慮集膚效應(yīng)，假定銅盤上的渦流損耗在銅盤內(nèi)部分布均勻；

2)銅盤、鐵磁盤和散熱盤的材料為各向同性導熱介質(zhì)；

3)認為銅盤與鐵磁盤、散熱盤的連接為緊密接觸，且不考慮接觸表面所產(chǎn)生的熱阻效應(yīng)；

4)根據(jù)實際工況，永磁渦流耦合調(diào)速器工作環(huán)境中有軸流通風機強化散熱，銅轉(zhuǎn)子對流散熱模式為強制熱對流模式，其環(huán)境流體為標準大氣壓下的干燥空氣；

5)忽略銅盤、鐵磁盤和散熱盤與空氣之間的導熱作用。

2.2 模型建立與計算

根據(jù)銅轉(zhuǎn)子的運行環(huán)境與熱學傳遞的特性，建立溫度場求解的物理模型，對銅轉(zhuǎn)子進行穩(wěn)態(tài)熱學分析。在熱穩(wěn)態(tài)中，系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度僅與位置有關(guān)，不隨時間變化而變化，熱穩(wěn)態(tài)分析的能量平衡方程為：

[K]{T}={Q}

式中，K為銅轉(zhuǎn)子各部分熱傳導矩陣，包括導熱系統(tǒng)、對流熱系數(shù)、輻射率和形狀系數(shù)；T為銅轉(zhuǎn)子各部分節(jié)點溫度陣列；Q為銅轉(zhuǎn)子各部分節(jié)點熱流量陣列。

給定求解域的邊界條件及相關(guān)參數(shù)如下：

1)求解域為包括銅盤、鐵磁盤和散熱盤所在的三維模型區(qū)域；

2)在銅盤上施加體積熱載荷，熱載荷量為銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差所引起的熱功率，按一定轉(zhuǎn)差運行情況，計算得單側(cè)銅盤功率為500W；

3)根據(jù)通風機的安裝與調(diào)節(jié)情況，設(shè)定散熱盤、散熱盤緊貼的鐵磁盤端面均與空氣之間的強制對流系數(shù)為30W/(m2·℃)；銅盤、其余鐵磁盤面均與空氣之間的強制對流系數(shù)為15W/(m2·℃)；環(huán)境溫度設(shè)定為20℃；銅材料發(fā)射率為0.5，Q235發(fā)射率為0.6。

根據(jù)上述所建立的假設(shè)和邊界條件，針對該永磁渦流調(diào)速器銅轉(zhuǎn)子零部件的原始結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于Solidworks Simulation有限元分析環(huán)境對銅轉(zhuǎn)子模型進行熱學仿真計算。銅轉(zhuǎn)子模型的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，銅盤與鐵磁盤、散熱盤上的穩(wěn)態(tài)溫升分布情況如圖3所示。熱穩(wěn)態(tài)時，所求解的區(qū)域銅轉(zhuǎn)子模型溫升分布由中部沿徑向外擴散；銅轉(zhuǎn)子的中銅盤上的最高溫度為53.3℃，最低溫度為51.2℃；鐵磁盤上的最高溫度為53℃，最低溫度為48.6℃；散熱盤上的最高溫度處在基板上，為52.1℃，最低溫度處在翅片上，為47.6℃。

圖2 模型有限元網(wǎng)格模型 圖3 模型溫升分布仿真結(jié)果

3 散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

基于對上述散熱盤的仿真計算結(jié)果，為盡可能地改善散熱盤散熱情況，進一步認知銅轉(zhuǎn)子上的最高溫度與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的影響關(guān)系，首先依次選取散熱盤的基板厚度a、直徑d、翅片數(shù)量m、高度h和厚度t為因素變量，采用仿真模擬方法對該磁力耦合調(diào)速器散熱盤的熱學特性進行計算與分析，研究因素變量對散熱盤溫升和質(zhì)量變化的影響程度；其次，以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，篩選散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)變量并合理改進結(jié)構(gòu)參數(shù)值，從而獲得最佳的散熱盤散熱效果。

3.1 基板厚度a的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變基板的厚度，仿真計算a∈[3mm,17mm],Δa=2mm模型的溫升情況,不同基板厚度下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖4所示。

從圖4可以看出，散熱盤基板厚度從3～17mm逐漸增大時，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度趨近下降狀態(tài)，但下降幅度甚低，僅從53.4℃下降到52.3℃。原因在于，基板厚度的增加導致基板圓柱面的散熱面積和熱輻射面積增大，另一方面，基板厚度的增加會增大基板軸向的導熱長度，這2個方面因素綜合決定了銅轉(zhuǎn)子的最高溫度的升降趨勢；同時，由于基板厚度的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量趨進直線上升狀態(tài)，增加幅度較大，從初始計算模型的13.7kg增大至21.5kg。因而，在該設(shè)定條件下，基板厚度對銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較低，以改變基板厚度來降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式不合適，且會增加模型的整體重量。

3.2 基板直徑d的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變基板的直徑，仿真計算d∈[340mm,410mm],Δd=10mm模型的溫升情況，不同基板直徑下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖5所示。

從圖5可以看出，基板直徑在340～410mm逐漸增大時，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度呈下降狀態(tài)，下降幅度較高，從53.3℃下降到49.9℃。原因在于，基板直徑的增加，基板的散熱面積與熱輻射面積增大，基板導熱長度卻無變化，因而溫度具備下降條件；同時，由于基板直徑的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量趨進直線上升狀態(tài)，從初始計算模型的14.8kg增大至16.5kg，整體增長幅度不大。因而，在該設(shè)定條件下，基板直徑對銅轉(zhuǎn)子最高溫度有一定影響敏感度，以增加基板直徑來降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式可行，且模型的整體重量增加較低。

圖4 基板厚度與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系 圖5 基板直徑與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系

3.3 翅片數(shù)目m的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變散熱盤上的翅片的數(shù)目，仿真計算m∈[4,32],Δm=4模型的溫升情況，不同翅片數(shù)目下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖6所示。

從圖6中可以看出，翅片數(shù)量在4～32片逐漸增大時，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度呈下降狀態(tài)，從從56.7℃下降到51.2℃，整體溫降比較顯著。原因在于，翅片數(shù)量的增加，模型的散熱面積與熱輻射面積增大的效應(yīng)比翅片導熱長度增大的效應(yīng)要強；同時，由于翅片數(shù)量的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量成直線增長狀態(tài)，但整體增幅較小，僅從初始計算模型的14.4kg增大至15.1kg。因而，在該設(shè)定條件下，翅片數(shù)量變化對銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較大，以改變翅片數(shù)量來降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式可行，且模型的整體重量增加較低，但由于所研究的散熱盤上的翅片與基板成整體結(jié)構(gòu)，因而在考慮改變翅片數(shù)量來降溫的同時也需要兼顧加工費用。

3.4 翅片高度h的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變翅片高度，仿真計算h∈[6mm,27mm],Δh=3mm模型的溫升情況，不同翅片高度下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖7所示。

從圖7可以看出，翅片高度在6～27mm逐漸增大時，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度呈下降狀態(tài)，從55.6℃下降到51℃，整體溫降比較顯著。原因在于，翅片高度的增加，模型的散熱面積與熱輻射面積增大的效應(yīng)比翅片導熱長度增大的效應(yīng)要強；同時，由于翅片數(shù)量的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量成直線增長狀態(tài)，但整體增幅較小，僅從初始計算模型的14.4kg增大至15.5kg；整體增長幅度不大。因而，在該設(shè)定條件下，翅片高度變化對銅轉(zhuǎn)子最高溫度有一定影響敏感度，以增加翅片高度來降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式可行，且模型的整體重量增加較低。

圖6 翅片數(shù)量與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系 圖7 翅片高度與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系

3.5 翅片厚度t的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變翅片厚度，仿真計算t∈[3mm,17mm],Δt=2mm時模型的溫升情況，不同翅片厚度下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖8所示。

圖8 翅片厚度與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系

從圖8可以看出，翅片厚度在3～17mm逐漸增大時，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度處于穩(wěn)定不變狀態(tài)，基本恒定在55.6℃。原因在于翅片厚度的增加，翅片端面的散熱面積和熱輻射面積增大的效應(yīng)與翅片厚度增加帶來對流負影響的效應(yīng)幾近相同，因而總體溫度情況處于持平；同時，由于翅片厚度的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量趨于直線增長狀態(tài)，整體質(zhì)量有一定增幅，從初始模型的14.8kg增大至18kg。因而，在設(shè)定條件下，翅片厚度變化對銅轉(zhuǎn)子最高溫度無影響，以增加翅片厚度來降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式不可行，且會增加模型的整體重量。

4 散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)改進及分析

從上述對散熱盤的基板厚度、直徑、翅片數(shù)量、高度和厚度對溫升的影響結(jié)果可以看出，為降低銅轉(zhuǎn)子上的溫升并最大程度地降低其重量的增加量，可以選擇基板直徑、翅片數(shù)量與翅片高度3個參數(shù)來進行優(yōu)化。同時，通過上述的研究分析可知，基板直徑、翅片數(shù)量與翅片高度3個參數(shù)在研究范圍內(nèi)均與溫升成增函數(shù)關(guān)系，且增加質(zhì)量的程度較低，因而根據(jù)實際加工情況，合適地選擇3類參數(shù)的最大數(shù)值。

考慮基板與銅盤的配合情況，取基板直徑與銅盤直徑相等，取?380mm，并開設(shè)與銅盤上相同的通孔，保證連接板的安裝；翅片與基板為一整體結(jié)構(gòu)，翅片為銑加工工藝，考慮翅片數(shù)量對加工工藝與加工費用的影響，適當選取翅片數(shù)量為28片、翅片高度選取為24mm。針對上述參數(shù)進行模型修改并進行仿真計算，可得銅盤與鐵磁盤、散熱盤上的穩(wěn)態(tài)溫升分布情況，如圖9所示。改進后銅轉(zhuǎn)子模型的最高溫度為48℃，相比改進前模型最高溫度53.3℃下降10.3%；改進后模型質(zhì)量為16.6kg，相比改進前模型質(zhì)量14.8kg增長12.1%；銅轉(zhuǎn)子的中銅盤上的最高溫度為48℃，最低溫度為45.6℃；鐵磁盤上的最高溫度為47.7℃，最低溫度為42.7℃；散熱盤上的最高溫度處在基板上，為46.8℃，最低溫度處在翅片上，為40.5℃。可見，合理改進散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效改善銅轉(zhuǎn)子模型溫升情況。

5 結(jié)論

圖9 改進后模型溫升分布仿真結(jié)果

針對一臺45kW雙盤異步空冷式永磁渦流傳動調(diào)速器中銅轉(zhuǎn)子的熱學特性進行了研究，采用計算機模擬仿真的方法獲得了銅轉(zhuǎn)子的散熱盤基板厚度、直徑、翅片數(shù)量、高度和厚度對模型溫升結(jié)果的影響，基于計算結(jié)果，對模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了合理改進，提高了模型的散熱特性。

1)在所建立的假設(shè)和邊界條件下，銅轉(zhuǎn)子模型溫升梯度由銅轉(zhuǎn)子模型的中部沿徑向外擴散；銅轉(zhuǎn)子中銅盤上的最高溫度為53.3℃，鐵磁盤上的最高溫度為53℃，散熱盤上的最高溫度處在基板上，為52.1℃。

2)在參數(shù)值設(shè)定范圍內(nèi)，基板厚度對銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較低，對模型總體質(zhì)量影響敏感度較高；基板直徑、翅片數(shù)量、翅片高度對銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較大，對模型總體質(zhì)量影響敏感度較低；翅片厚度對銅轉(zhuǎn)子最高溫度幾乎無影響，對模型總體質(zhì)量影響敏感度較高。

3)基于敏感度分析結(jié)果與實際情況，篩選散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)變量并合理改進結(jié)構(gòu)參數(shù)值：基板直徑?380mm、翅片數(shù)量28片和翅片高度24mm。通過仿真計算可知，改進后銅轉(zhuǎn)子模型溫升情況得到明顯改善，最高溫度為48℃，相比改進前模型下降10.3%；改進后模型質(zhì)量為16.6kg，相比改進前模型增長12.1%。

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[編輯] 洪云飛

2017-01-26

教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20133415110003)；安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2017A083)。

程剛(1986-)，男，碩士，講師，現(xiàn)主要從事磁力機械設(shè)計與光機電一體化方面的研究工作，gang740@126.com。

TH133

A

1673?1409(2017)09?0022?06

[引著格式]程剛，郭永存,王爽，等.磁力耦合器散熱盤傳熱特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)改進[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(9)：22～27.