礦用永磁偶合器離心負(fù)載調(diào)速最大發(fā)熱點(diǎn)溫度場(chǎng)研究

朱玉芹，王 雷，劉 昊

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

礦用永磁偶合器應(yīng)用于礦山領(lǐng)域風(fēng)機(jī)、水泵等離心負(fù)載場(chǎng)合調(diào)速，通過(guò)精確調(diào)節(jié)銅導(dǎo)體與永磁體之間的氣隙控制輸出轉(zhuǎn)矩[1，2]，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵流量的精確調(diào)控，避免機(jī)械閥門節(jié)流損失，節(jié)能效果顯著[3，4]。永磁偶合器可實(shí)現(xiàn)離心負(fù)載30%～97%調(diào)速范圍，但是其運(yùn)行過(guò)程中不同調(diào)速點(diǎn)銅盤熱損耗不同，若一直運(yùn)行于高發(fā)熱點(diǎn)則極易造成永磁體及銅盤電磁性能衰減，傳動(dòng)能力下降，嚴(yán)重影運(yùn)行壽命[5]，對(duì)其最高發(fā)熱點(diǎn)工況下運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析、避免高溫故障十分必要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)永磁偶合器二維三維溫升特性進(jìn)行了相關(guān)研究[6-8]。郭蘭中等[9]針對(duì)筒式永磁偶合器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，利用磁熱耦合分析方法，對(duì)散熱片進(jìn)行優(yōu)化仿真，顯著降低了銅環(huán)和永磁體的最高溫度。何文博等人[10]對(duì)永磁部件進(jìn)行軸向溫度場(chǎng)的仿真分析，闡述了合理選擇銅盤厚度和轉(zhuǎn)子厚度的重要性，對(duì)永磁偶合器的設(shè)計(jì)以及選型提供一定參考。劉偉等人[11]運(yùn)用磁熱雙向耦合的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)調(diào)速器進(jìn)行耦合傳熱分析，得到導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁體的溫度場(chǎng)分布。Yanqing Chen等人[12]針對(duì)大功率偶合器溫度場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，并進(jìn)行了流道優(yōu)化，對(duì)高熱損耗情況下散熱設(shè)計(jì)具有一定意義。但以上研究多集中于傳統(tǒng)額定工況穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，缺少應(yīng)用于離心負(fù)載調(diào)速時(shí)惡劣工況溫度變化分析，無(wú)法保證離心負(fù)載大轉(zhuǎn)差調(diào)速下的溫升控制，因此需要進(jìn)行永磁偶合器應(yīng)用于離心負(fù)載最大發(fā)熱點(diǎn)情況下的溫度分布，保障運(yùn)行穩(wěn)定性。

本文以河北某露天礦清水泵用永磁偶合器為例進(jìn)行研究，其電機(jī)功率560kW，轉(zhuǎn)速750r/min，由于軸向尺寸受限，要求風(fēng)冷散熱，而如此大功率、低轉(zhuǎn)速、大扭矩情況下，熱損耗可觀，尤其在轉(zhuǎn)差對(duì)應(yīng)的最大發(fā)熱點(diǎn)處溫升尤其顯著，為保證如此惡劣工況下的偶合器穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。本文主要通過(guò)數(shù)學(xué)解析分析得到離心負(fù)載調(diào)速最大發(fā)熱點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差，并求出此時(shí)對(duì)應(yīng)的熱損耗，進(jìn)而采用流固耦合速度場(chǎng)仿真計(jì)算散熱片散熱系數(shù)，最終求解溫度分布計(jì)算。

1 礦用永磁偶合器結(jié)構(gòu)原理

礦用永磁偶合器結(jié)構(gòu)如圖1所示，偶合器結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，主要由鋼盤、銅導(dǎo)體、永磁體、散熱片、外殼、調(diào)速機(jī)構(gòu)及輸入輸出軸等組成。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)銅導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，銅導(dǎo)體切割氣隙間的磁力線，形成渦流。銅導(dǎo)體渦流使銅導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用，根據(jù)牛頓作用力與反作用力關(guān)系，大小相等、方向相反的力會(huì)作用在磁體盤上，使磁體盤按照一定的轉(zhuǎn)速跟隨銅導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)。銅導(dǎo)體和永磁體盤分別與電機(jī)和負(fù)載相連，實(shí)現(xiàn)電機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳遞。

永磁偶合器與風(fēng)機(jī)、水泵等離心式負(fù)載搭配使用時(shí)，性能曲線匹配如圖2所示，其特性曲線成先增大后減小趨勢(shì)，即隨著轉(zhuǎn)差率s增加，傳遞轉(zhuǎn)矩先增大后減小，而負(fù)載曲線為非線性遞增，二者有一個(gè)交點(diǎn)，永磁偶合器調(diào)速過(guò)程單調(diào)變化，轉(zhuǎn)矩隨氣隙減小調(diào)節(jié)逐漸增大，當(dāng)滿足負(fù)載傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)負(fù)載啟動(dòng)，此時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。而由于流量調(diào)節(jié)需要，永磁偶合器可能處于不同氣隙、不同轉(zhuǎn)差率情況下運(yùn)行，此時(shí)發(fā)熱量導(dǎo)致的設(shè)備運(yùn)行溫升變化不定，有可能處于最高發(fā)熱點(diǎn)。此種情況下，溫升過(guò)高將導(dǎo)致銅盤及永磁體磁場(chǎng)特性衰減，傳動(dòng)能力下降甚至消失，影響偶合器運(yùn)行穩(wěn)定性及壽命。因此，需要對(duì)離心式負(fù)載最大發(fā)熱點(diǎn)情況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，保證溫升不超限。

2 永磁偶合器最大發(fā)熱點(diǎn)熱損耗分析

560kW、750r/min永磁偶合器應(yīng)用于露天礦水泵調(diào)速場(chǎng)合，轉(zhuǎn)差率與額定轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系如下：

式中，no為輸出轉(zhuǎn)速，r/min；s為轉(zhuǎn)差率；nN為額定轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)于水泵等離心負(fù)載，輸出功率與額定功率間滿足如下關(guān)系：

式中，Po為輸出功率，kW；PN為額定功率，kW。

對(duì)于永磁偶合器，其損耗Ploss與輸出功率的關(guān)系為：

將式(2)代入式(3)可得：

Ploss=s(1-s)2PN

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行求導(dǎo)，可以得到：

Ploss=(3s-1)(s-1)PN

(5)

由此可以得知，當(dāng)s=1或者s=1/3時(shí)，Ploss存在極值，而水泵運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s不可能為1，故在s=1/3時(shí)，永磁偶合器存在最大發(fā)熱損耗，此時(shí)的熱損耗值為：

Ploss=4PN/27

(6)

3 永磁調(diào)速最大發(fā)熱點(diǎn)溫度場(chǎng)分析及優(yōu)化

3.1 散熱片處散熱系數(shù)計(jì)算

溫度場(chǎng)分析采用流固耦合速度場(chǎng)計(jì)算散熱系數(shù)、再將最大發(fā)熱點(diǎn)運(yùn)行熱損耗及散熱系數(shù)代入模型溫度邊界條件進(jìn)行計(jì)算的方法。首先進(jìn)行散熱片處速度場(chǎng)計(jì)算，目的是為得到散熱片及散熱片鋼盤表面空氣流速，進(jìn)而代入散熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，得到散熱片處散熱系數(shù)，其他旋轉(zhuǎn)散熱系數(shù)依照線速度平均值代入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算即可[13]。

建立流固耦合速度場(chǎng)模型并進(jìn)行計(jì)算可知，散熱片處速度云圖如圖3所示，散熱片處流速數(shù)據(jù)分布圖如圖4所示，由圖可知外圍環(huán)境空氣在散熱片翅片旋轉(zhuǎn)擾流作用下由散熱片底端流入翅片間隙，在旋轉(zhuǎn)離心加速作用下速度明顯上升，于散熱片頂端流出，散熱片出口處空氣流速最快。為保證散熱系數(shù)計(jì)算精確性，本文采用輸出散熱片平均速度v=32.2m/s作為散熱片表面空氣流速，代入散熱系數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式可得：

圖4 散熱片處空氣流速數(shù)據(jù)分布

式中，α0為發(fā)熱表面在平靜空氣中的散熱系數(shù)，W/(m2·k)；v為空氣吹拂表面平均速度，m/s；k為氣流吹拂效率系數(shù)，(s·m-1)1/2。

根據(jù)偶合器的材料屬性，α0取16.7W/(m2·k)；k為1.3(s·m-1)1/2。

3.2 最大發(fā)熱點(diǎn)溫度場(chǎng)計(jì)算及分析

基于永磁偶合器結(jié)構(gòu)建立單個(gè)永磁體盤及銅導(dǎo)體盤散熱物理模型，主要包括散熱片、鋼盤、銅導(dǎo)體、空氣隙、永磁體盤、永磁體及永磁體蓋等部分，并對(duì)其進(jìn)行材料賦值，網(wǎng)格劃分，得到完整物理分析模型。額定傳遞功率560kW情況下，整機(jī)最大熱損耗為：

Ploss=4PN/27=4×560/27=83kW

(8)

則單盤最大發(fā)熱點(diǎn)時(shí)熱損耗為41.5kW。進(jìn)而將熱損耗、散熱片及鋼盤散熱系數(shù)等作為邊界條件輸入，值得注意的是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為45℃，接下來(lái)進(jìn)行熱力學(xué)仿真計(jì)算，得到整機(jī)溫度分布及變化規(guī)律。

永磁偶合器單盤溫度分布如圖5所示，其中溫度最高處為熱源銅盤，最高溫度為107.53℃，最低溫度為永磁體盤處69.3℃，散熱片處平均溫度約為77℃左右，永磁體溫度分布如圖6所示，在78℃到86℃之間。溫度如此分布主要原因是，以熱源銅盤為中線沿軸向向兩邊熱傳導(dǎo)，由于有空氣氣隙的阻力，大部分熱量通過(guò)旋轉(zhuǎn)散熱片與空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱到外部環(huán)境中，散熱片處溫度稍高，永磁體盤側(cè)溫升較低。

圖5 單盤整機(jī)溫度分布

圖6 永磁體溫度分布

但是由于基礎(chǔ)環(huán)境溫度較高，致使周圍對(duì)流換熱效果不夠理想，整機(jī)溫度較高，雖然在最大渦流損耗情況下，散熱片處溫度滿足永磁偶合器能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(不高于85℃)要求[14]，但銅盤與永磁體溫度過(guò)高，導(dǎo)致銅盤導(dǎo)磁性能及永磁體磁性大幅衰減，嚴(yán)重情況下傳遞扭矩能力降低可達(dá)30%，影響現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。為提升運(yùn)行于高溫環(huán)境、高熱損耗的永磁偶合器傳動(dòng)性能，需要對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加設(shè)備內(nèi)部及周圍空氣湍流強(qiáng)度，加強(qiáng)散熱能力。

本文提出一種在散熱片下部、鋼盤內(nèi)圈開(kāi)吸風(fēng)孔的方式進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)擾流優(yōu)化，并進(jìn)行流固耦合速度場(chǎng)仿真，顯示散熱片處速度云圖、散熱片空氣域及吸風(fēng)孔等速度矢量圖，如圖7所示。鋼盤增加吸風(fēng)孔后，整機(jī)最高溫度由原來(lái)的38.9m/s上升至44.7m/s，輸出平均速度為36.3m/s，此時(shí)散熱系數(shù)為147.5W/(m2·k)。同時(shí)，吸風(fēng)孔處風(fēng)速約為25m/s左右，通過(guò)吸風(fēng)孔風(fēng)量導(dǎo)入可以加強(qiáng)內(nèi)部銅盤及永磁體間氣隙流速，提高湍流程度，進(jìn)而提高散熱系數(shù)及散熱能力。

圖7 散熱片及吸風(fēng)孔速度分布

將帶吸風(fēng)孔的模型進(jìn)行最大熱損耗溫度仿真計(jì)算，并將兩種狀態(tài)下的永磁偶合器溫度分布沿軸線方向提取對(duì)比，如圖8所示。開(kāi)吸風(fēng)孔后最高溫度約為98℃，最低溫度約為69℃，散熱片處平均溫度約為73℃，永磁體溫度在74℃到81℃之間，相較于未開(kāi)吸風(fēng)孔狀態(tài)時(shí)溫度有較為明顯的改善。最高溫度為熱源銅盤處，降低近10℃，其余零部件溫度相差4～6℃。同時(shí)由磁體蓋沿軸向往散熱片移動(dòng)溫升先升高后降低，熱源銅盤處溫度最高，開(kāi)吸風(fēng)孔后整機(jī)溫度分布更加均勻，降低溫度梯度，提高偶合器最大發(fā)熱點(diǎn)運(yùn)行情況下可靠性。

圖8 開(kāi)吸風(fēng)孔前后溫度對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以560kW、750r/min礦用永磁偶合器應(yīng)用于露天礦離心水泵最大發(fā)熱點(diǎn)工況溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了分析，為離心負(fù)載永磁調(diào)速最大發(fā)熱點(diǎn)工況運(yùn)行溫升控制及散熱優(yōu)化提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)理論分析可知，熱損耗與轉(zhuǎn)差呈3次方關(guān)系，散熱片散熱系數(shù)139.9W/(m2·k)。

2)最大發(fā)熱點(diǎn)下整機(jī)溫度最高為107.53℃，最低溫度為永磁體盤處69.3℃，散熱片處平均溫度約為77℃左右，雖滿足安全運(yùn)行要求，但溫度較高對(duì)傳動(dòng)能力有損。

3)提出鋼盤內(nèi)圈開(kāi)吸風(fēng)孔的方式，提高速度場(chǎng)空氣流速及銅盤與鋼盤內(nèi)部氣隙湍流程度，提高散熱系數(shù)至147.5W/(m2·k)，整機(jī)溫度最高降低10℃，溫度分布更加均勻。