電渦流緩速器轉(zhuǎn)子溫度場熱流耦合分析

劉金 廖云飛

摘 要：電渦流緩速器的散熱性能直接影響緩速器的制動性能，而緩速器轉(zhuǎn)子的對流換熱在其散熱過程中起到了至關(guān)重要的作用。本文從電渦流緩速器實際工況出發(fā)，對兩種機械結(jié)構(gòu)的緩速器轉(zhuǎn)盤進行了熱流耦合分析，對轉(zhuǎn)盤的受熱關(guān)鍵區(qū)域進行逐層分析，探討了轉(zhuǎn)盤的對流散熱情況和熱應力集中情況。研究結(jié)果表明，改變緩速器的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能有效改善其流場情況，增加層流的比例，減小紊流的情況，對降低緩速器的工作溫度起到促進作用。

關(guān)鍵詞：電渦流緩速器;溫度場;熱流耦合分析;機械結(jié)構(gòu);散熱性能

中圖分類號：TH132.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0043-04

Coupling Analysis of Temperature Field and Heat Flow of

Eddy Current Retarder Rotor

LIU Jin1 LIAO Yunfei2

Abstract： The braking performance of the eddy current retarder depended on its capacity of heat dissipation. In the heat dissipation process， the most importance is the conventional heat transfer of the retarder’s rotor. In the manuscript， based on the actual working conditions， the thermal-fluid coupling analysis of two kinds of mechanical structures of retarder turntables was carried out. For the critical heating zone， we investigated the situation of convention heat transfer and thermal stress layer by layer. The research results shows that， the flow field could be promoted by idealizing the mechanical structure of the rotor. With the improve of the flow field， the proportion of laminar flow has been increased and turbulence is reduced accordingly.This will play a role in reducing the working temperature of the retarder.

Keywords： eddy current retarder;temperature field;coupling analysis of heat flow;mechanical structure;heat dissipation performance

1 研究背景

扭矩和熱衰退率是衡量電渦流緩速器的重要指標。良好的緩速器應具有足夠大的扭矩和較小的熱衰退率[1，2]。轉(zhuǎn)盤是電渦流緩速器的重要散熱部件，其散熱性能直接決定自身的溫度。而轉(zhuǎn)盤的溫度會直接影響線圈的電阻率，進而影響感應電流的強度和感應磁場的強度，最終決定緩速器扭矩的大小[3，4]?？梢姡徦倨鬓D(zhuǎn)盤的散熱性能決定了緩速器的制動性能[5]。有研究認為，在轉(zhuǎn)子盤主要依靠輻射和對流進行散熱，其中對流換熱的總貢獻率高達60%～70%[6]。顯然，對流換熱對電渦流緩速器的散熱性能起到了至關(guān)重要的作用[7]。

2 理論基礎(chǔ)

轉(zhuǎn)子溫度分布受鐵芯、定子材料和周圍空氣對流引起的熱傳導的影響，以及氣隙、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，定子表面熱通量為：

[qc=hc（T）（T-Te）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[qc]為對流產(chǎn)生的熱通量;[hc]為熱傳導系數(shù);[Te]為環(huán)境溫度。

轉(zhuǎn)子的邊界條件熱傳導方程為：

[qr=hr（T）（T4-T4e）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[-λ?T?n=εσF*（T4-T4e）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[n]為定子邊界上傳導的法向矢量;[ε]為熱輻射率;[σ]為Stefan-Boltzmann系數(shù);[F*]為熱輻射角系數(shù)。

根據(jù)傅里葉熱定理原理，傳熱材料中單位截面的溫度變化率和在單位時間內(nèi)給其傳導的熱量成正比關(guān)系，公式如式（4）所示。此定理解釋了熱流密度、導熱系數(shù)及溫度梯度三者間的相互關(guān)系，是主要描述導熱現(xiàn)象的物理學基本定理之一。

[q=-λ?T?n] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[q]為熱流密度，W/m2;λ，熱導率，W/（m·K）;T為物體溫度，K。

如果以直角坐標系為基準，則傅里葉導熱定理公式為：

[q=-λx?T?xi-λy?T?yj-λz?T?zk] ? ? ? ? ? ? （5）

3 緩速器結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計

3.1 緩速器結(jié)構(gòu)

前、后轉(zhuǎn)盤和中間軸一起構(gòu)成了轉(zhuǎn)子總成。轉(zhuǎn)盤由具有高導磁性能的耐高溫材料制成，其上設(shè)計有不同形狀的散熱肋片。散熱肋片間形成的空氣通道用以電渦流緩速器制動過程中的散熱。轉(zhuǎn)盤內(nèi)部通過筋條連接。轉(zhuǎn)盤與突緣固定，突緣通過花鍵與中間軸固定，轉(zhuǎn)盤突緣與傳動軸突緣通過螺栓鎖緊相連，隨著傳動軸同時轉(zhuǎn)動。

在工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤隨傳動軸一起轉(zhuǎn)動。通過切割，由定子線圈通電后生成的磁力線而生熱，熱量通過轉(zhuǎn)盤散熱通道形成強制對流換熱，同時高溫轉(zhuǎn)盤向外界輻射熱量，圖1為電渦流緩速器持續(xù)工作10min以上時轉(zhuǎn)盤的狀態(tài)圖。緩速器前后轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)相同，外形一致，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速一致，只是轉(zhuǎn)盤風道的旋向不同。因此，將對象安裝的2個緩速器轉(zhuǎn)盤簡化為單轉(zhuǎn)盤進行分析。簡化以后的模型如圖2所示。

3.2 改進設(shè)計

為改善緩速器轉(zhuǎn)盤的對流換熱性能，筆者將原A轉(zhuǎn)盤中漸開線葉片改為B轉(zhuǎn)盤中的圓弧形葉片，并改進轉(zhuǎn)盤邊緣角度，以減少出風口處的紊亂氣流，減少進氣阻力，提高進風量。同時，增加葉片數(shù)量，提高傳導散熱的能力。此外，還對風道前緣進行了局部優(yōu)化。轉(zhuǎn)盤三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 數(shù)值分析

4.1 有限元模型邊界條件

如圖4所示，有限元模型包含熱源（貼近磁軛的厚盤）和散熱盤（散熱肋片、薄盤和連接輻條）兩部分。而流體域則包含轉(zhuǎn)盤附近半徑0.315m范圍的盤形區(qū)域，包括散熱通道在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)域和轉(zhuǎn)盤外場半徑1.5m，軸向0.5m范圍內(nèi)的遠場域。

轉(zhuǎn)盤數(shù)值分析參數(shù)如表1所示。

4.2 流場分布情況

圖5顯示了轉(zhuǎn)盤工作過程中的空氣三維流場情況。在轉(zhuǎn)盤內(nèi)部，A型轉(zhuǎn)盤的內(nèi)部紊流多于B型轉(zhuǎn)盤的紊流，這導致A型轉(zhuǎn)盤氣流速度降低。紊流較少的B型轉(zhuǎn)盤，氣流阻力更小?？梢姡珺型轉(zhuǎn)盤的對流換熱能力較A型轉(zhuǎn)盤好。

4.3 溫度場在厚盤軸向的分布情況

為進一步考察改進前后轉(zhuǎn)盤溫度場的分布情況，對圖6描述的轉(zhuǎn)盤厚盤軸向截面1至截面3共3個剖切平面進行了分析。

如圖7所示，截面1的溫度分布云圖顯示出A型轉(zhuǎn)盤的溫度分布明顯不均勻，同一平面的溫差非常大，其內(nèi)部會由于變形而產(chǎn)生較B型轉(zhuǎn)盤更多的形變應力。而B型轉(zhuǎn)盤總體溫度相對一致，沒有極端高溫或者低溫的地方。

圖8為截面2的溫度云圖。在該截面，A型轉(zhuǎn)盤和B型轉(zhuǎn)盤均出現(xiàn)了深藍色的低溫區(qū)。與截面1類似，在截面2上，A型轉(zhuǎn)盤的內(nèi)部整體溫度分布仍然不均勻，未像B型轉(zhuǎn)盤一樣出現(xiàn)連片的高溫區(qū)。同一平面仍然具有很大的溫差。而B型轉(zhuǎn)盤雖然也有成團的高溫集中區(qū)域，但整體而言，其連成一片的高溫區(qū)對變形的影響相對較小，形變應力也較小。

圖9為截面3的溫度云圖。由圖3可知，到此位置時，A型轉(zhuǎn)盤和B型轉(zhuǎn)盤的溫度已經(jīng)較低，基本不存在影響總體性能的殘余應力。

由上述分析可知，A型轉(zhuǎn)盤在每個截面的溫度分布的一致性都比B型轉(zhuǎn)盤要差，基本在每個截面都出現(xiàn)了溫度集中的情況。相對而言，B型轉(zhuǎn)盤在每個截面的溫度分布都比A型轉(zhuǎn)盤要均勻很多，其溫度分布一致性很好。從溫度分布情況來看，B型轉(zhuǎn)盤的散熱性能比A型好，關(guān)鍵是，其內(nèi)部溫度分布均勻性好，不會出現(xiàn)較大的形變應力。

5 結(jié)論

對兩種轉(zhuǎn)盤進行熱-流耦合分析后發(fā)現(xiàn)，通過對緩速器轉(zhuǎn)盤進行結(jié)構(gòu)控制，進而控制緩速器的對流換熱狀況，得到了更好的轉(zhuǎn)盤溫度場分布狀況。通過結(jié)構(gòu)改進，原有轉(zhuǎn)盤的對流形式由紊流占主體地位變?yōu)閷恿髡贾黧w地位，這一變化帶來了轉(zhuǎn)盤工作過程中更高的散熱效率。對轉(zhuǎn)盤厚盤進行溫度場的分層考察后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)盤由于對流狀況的改善，溫度分布變得更均勻，降低了熱應力的集中。

參考文獻：

[1]何仁，胡東海，張端軍.汽車電磁制動技術(shù)的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學報，2013（3）：202-214.

[2]李德勝，尹汪雷，張凱.電磁液冷緩速器制動力矩影響參數(shù)[J].北京工業(yè)大學學報，2014（6）：831-836.

[3]Liu C， Shen J. Design technologies of Eddy current retarder used in an automobile[J]. Applied Mechanics and Materials，2013（251）：134-138.

[4]Ye L， Liu Y， Cao M， et al. Braking Characteristics and Experiment of a Permanent Magnet Eddy-current Retarder[J]. Journal of Beijing University of Technology，2018（6）：837-842.

[5]張凱，李德勝，鄭然，等.液冷自勵式電磁緩速器研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2014（11）：20-6.

[6]劉金.一種電渦流緩速器散熱系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2018.

[7]Mahesh C， Valavade A P. Flow and heat transfer analysis of variable diameter circular pillar disc brake rotor using CFD[C]//International Conference on Mechanical & Aerospace Engineering.2016.