大功率磁力耦合器冷却水散热研究

唐正强，惠佳博，周东东，潘小飞

（1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.哈尔滨工业大学 机电工程与自动化学院，广东 深圳 518055）

1 引言

磁力耦合器是一种基于电磁感应原理研制出的非接触式新型传递装置[1]，主要作用是实现运动系统中电机驱动轴和负载输出轴之间的运动和动力传递[2]。磁力耦合传动是近年来新兴的一种产生磁涡流实现柔性传动的技术[3]，2016年，我国将“永磁涡流柔性传动节能技术”列入《国家重点节能低碳技术推广目录》。磁力耦合器是一种利用气隙磁场传递动力的装置，主要优点有无摩擦、无磨损、寿命长和允许对中误差大等优点[4-5]，此外，它还具有高效节能、可靠性高、适应恶劣环境、缓冲减震和软启动的功能[6]，工业应用前景十分广阔。

然而，在磁力传动技术不断发展中，仍然存在一些技术性问题未能解决，如磁力耦合器的发热问题[7]。磁力耦合器在运行时，磁感应涡流损耗会产生大量的热，使得传动系统各部件温度升高，温度过高会影响永磁体材料的工作特性。永磁体材料一般采用钕铁硼，这种材料热稳定性差，当温度超过它的居里温度时会产生不可逆的退磁现象，进而影响传动系统的可靠性[8]。在中小功率（335 kW以内）的磁力传动系统中，由于发热较少，通常采用空气冷却方式进行散热[9]；随着传递功率逐渐增大（大于335 kW），由于发热量大，空冷型散热已经不满足降温效果，因此采用水冷或者油冷等散热方式[10]。国内外学者对磁力耦合器的散热进行了大量研究。文献[11]利用仿真分析方法对磁力耦合器的散热盘进行了模拟，并根据模拟结果对散热盘的结构进行了优化；文献[12]利用有限元软件对大功率磁力耦合器温度场进行了分析，研究了转差和气隙对温度场分布的影响；文献[13]利用流体力学软件Fluent对磁力耦合器进风孔进行了流固耦合模拟，根据分析结果对进风方案和进风孔倾斜角度进行了优化。目前很多学者致力于中小型磁力耦合器散热的研究，针对大功率磁力耦合器的研究相对较少，尤其是大功率磁力耦合器的散热问题。对大功率磁力耦合器进行冷却散热研究，首先对热源铜盘进行温度场分析，在此基础上提出冷却方案，在发热源铜盘和铜盘钢架上设计了阿基米德螺旋线水槽回路，通过冷却水进行降温。通过SolidWorks三维软件建立了磁力耦合器的三维模型，使用ANSYS FLUENT有限元软件进行流固耦合仿真分析，研究水槽截面面积和形状、水流速度和初始水温对磁力耦合器散热性能的影响，根据分析结果得出最优的散热方案，确保大功率磁力耦合器的正常工作。

2 磁力耦合器物理模型

2.1 磁力耦合器三维模型

由已知磁力耦合器参数，通过Matlab软件编程计算设计磁力耦合器主要部件的参数，比如计算得出铜盘的厚度为7mm，永磁体厚度为65mm，极对数为22对。并利用SolidWorks三维软件绘制磁力耦合器的三维模型，模型包括铜盘与铜盘钢架、永磁体与永磁体安装盘等，如图1所示。

图1 磁力耦合器的三维模型Fig.1 A Three-Dimensional Model of Magnetic Coupler

磁力耦合器零部件相关的尺寸参数，如表1所示。

表1 磁力耦合器各零部件尺寸参数Tab.1 Geometric Dimensions of the Magnetic Coupler Components

各个部件的材料属性，如表2所示。

表2 材料属性Tab.2 Material Properties

2.2 磁力耦合器冷却结构设计

针对大功率磁力耦合器的散热，提出了一种利用螺旋水槽水路进行冷却散热的方法，其结构，如图2所示。该螺旋水槽水冷型磁力耦合器主要是由永磁体盘（22）、铜盘（1）和冷却结构组成，冷却机构由铜盘（1）、铜盘钢架（2）、软管（4）和软管（9）、旋转端盖（10）和固定端盖（11）组成，其中铜盘（1）和铜盘钢架（2）中分别加工有二分之一螺旋槽道。铜盘钢架（2）与铜盘（1）通过螺钉（23）固接，铜盘钢架（2）与旋转端盖（10）通过螺栓（15）连接，旋转端盖（10）与固定端盖（11）通过螺栓连接，固定端盖（11）连接到电机的驱动轴（13）上。永磁体（21）通过压板（20）与永磁体盘（22）固接在一起，永磁体盘（22）连接到负载轴（17）上。

该磁力耦合器冷却水由固定端盖（11）上入水口（8）进入旋转端盖（10）上的入水口（7），再由软管（9）分三条管道分别进入对应的三条螺旋水槽进行冷却，后由铜盘钢架（2）上出水口（3）由软管（4）经旋转端盖（10）上出水口（5）进入固定端盖（11）上出水口（6）流出。水槽的入水口和出水口分别为三个，在圆周上等距呈120°分布。磁力耦合器为双磁盘结构，两铜盘的冷却方式及进出水管路方式完全一致。水槽水路为方形槽，截面积为（6×6）mm的矩形，水路设计的阿基米德方程如下：

图2 冷却结构示意图Fig.2 Schematic Drawing of Cooling Structure

3 热学仿真分析

3.1 网格的划分

网格的划分是进行有限元分析的基础，直接影响模型求解的精度和速度。若要提高计算精度则需较小单元，但计算速度会降低，故对模型中关键部位使用较小单元，非关键部位采用较大单元。将磁力耦合器三维模型导入ANSYS ICEM中进行网格划分，物理环境选为流体分析（CFD），得到节点数为661188，单元数为987296，最小单元边长为0.6mm。磁力耦合器各部分网格单元大小划分情况为：铜盘网格为10mm，铜盘钢架网格为10mm，永磁体网格为8mm，永磁体安装盘网格为15mm，水路网格为1mm，如图3所示。

图3 磁力耦合器网格划分Fig.3 Mesh of the Magnetic Coupler

3.2 边界条件

采用ANSYS Fluent软件对磁力耦合器流场及温度场进行仿真分析，根据永磁耦合器的结构特点和求解区域，边界条件和参数设置如下：

湍流黏性选择k-e两方程湍流模型，开启能量方程。

流体材料选择液态水，热传导系数设为0.6w/m-k；添加永磁体材料，设置热传导系数为9w/m-k；铜盘材料选择铜，热传导系数设为385w/m-k；永磁体盘材料为不锈钢，热传导系数设为60w/m-k；铜盘钢架材料为10#刚，热传导系数设为39w/m-k；周围空气的介质温度设置为20℃，磁力耦合器中空气的导热系数与静止时候不同，根据经验公式参考，空气的热传导系数设为2w/m-k。

进口边界条件设置为速度入口，速度设为2m/s，入口温度设为20℃；出口边界条件设置为压力出口。

由于铜盘的涡流损耗远大于永磁体和端盖的损耗，故铜盘的涡流损耗近似于转差的损耗，铜盘是主要的热源。铜盘的转速为1488r/min，永磁体转速为1400r/min，根据实际情况中的损耗设置其生热率为5.90×106w/m3，磁力耦合器的散热系数由很多因素确定，根据经验公式设置铜盘和铜盘钢架的散热系数为111.47（m2·k）-1，永磁体及永磁体盘散热系数为114.40（m2·k）-1。

此外，为简化模型，假设：（1）环境空气温度不变；（2）零件表面以热对流的方式和环境空气进行热交换；（3）忽略冷却水的重力。冷却水流动的区域分为两部分，即铜盘和铜盘钢架上各加工1/2的水槽水路配合而成。

4 结果与讨论

4.1 装配体整体及主要构件温度场分析

对磁力耦合器整体及各主要部件进行温度场分析，分析的残差曲线在迭代步数为101步时收敛，残差曲线收敛性良好。

磁力耦合器各发热部件稳态温度图和整体温度云图，如图4所示。从图中看出水路流经区域的温度较低，没有布置水路的区域温度稍高；冷却水在铜盘入口处温度最低，随着带走的热量增加，水温逐渐增加；磁力耦合器整体的温度分布和铜盘的温度分布类似；永磁体的最高温度为120°。

图4 磁力耦合器整体及部件温度云图Fig.4 Temperature Distribution of the Magnetic Coupler and Key Components

图5 各部件的最高温度Fig.5 The Maximum Temperature of the Key Components

磁力耦合器各发热部件的最高温度分布，如图5所示。从图中可看出没有散热时，磁力耦合器最高温度为197.95℃，最低温度为163℃，永磁体的温度为168℃，已超过了其本身的居里温度。设计散热机构后分析结果显示铜盘最高温度从197.95℃降低到65.4℃，降低了132.55℃，永磁体最高温度从167.9℃降低到44.2℃，降低了123.7℃。该冷却方案使永磁体温度远远低于居里温度150℃，故提出的冷却方案冷却降温效果较好，可以保障永磁体在安全温度内工作。

4.2 水槽截面形状和面积对散热性能的影响

水槽截面形状和面积对磁力耦合器散热必然会有影响，选择开口中心点位置相同的圆形和矩形两种截面形状进行模拟，分析其散热情况。同时，研究了截面面积对磁力耦合器散热性能的影响，选择截面积分别为 36mm2，42.25mm2，49mm2，55.25mm2，64mm2。

水槽截面形状和面积对磁力耦合器散热性能的影响，如图6所示。从图中可看出相同截面面积下圆形水槽比矩形水槽散热效果好，使用圆形水槽散热时铜盘表面温度比使用矩形水槽低10℃；随着截面积的增大，铜盘的温度逐渐降低。但是由于铜盘的厚度较薄（7mm），若选择截面形状为圆形，则在铜盘上加工的深度（3.4mm）比截面形状为矩形（3mm）的大，综合考虑，该选择水槽的截面形状为矩形。

图6 截面形状和面积对散热性能的影响Fig.6 The Effect of Cross-Section Shape and Area on the Heat Dissipation

4.3 水流速度对散热性能的影响

冷却水的水流速度对磁力耦合器散热有一定影响，选择物理模型、边界条件不变的情况下，研究不同水流速度对磁力耦合器的散热性能的影响。

冷却水速度对散热性能的影响，如图7所示。由图可看出，随着冷却水速度的升高，单位时间内冷却水带走的热量逐渐增加，铜盘的最高温度逐渐降低；同时，随着水流速度的增加，相同时间内流经水槽的水流体积增大，则水流温升减小。铜盘和冷却水的最高温度与冷却水速度基本是线性变化的关系，当冷却水速度从1.3m/s升到2m/s时，铜盘的温度从118.3℃下降到103.8℃，冷却水的温度从63.1℃降到49.6℃。

图7 冷却水速度对散热性能的影响Fig.7 The Effect of Velocity of Cooling Water on the Heat Dissipation

4.4 初始水温度对散热性能的影响

冷却水的初始温度对磁力耦合器散热性能有一定的影响，选择初始水温为（18～25）℃进行仿真分析，（截面形状为矩形、截面积大小为36mm2，水流速度为2m/s）。分析结果，如图8所示。从图中可以看出，铜盘和冷却水的最高温度和水的初始温度呈现出线性变化的关系，水的初始温度每升高1℃，铜盘的温度升高大约0.7℃，水的出口温度升高约为1℃。综合考虑成本、环境等因素，选择初始温度为20℃。

图8 初始水温度对散热性能的影响Fig.8 The Effect of Initial Temperature of Water on the Heat Dissipation

5 结论

对大功率磁力耦合器的冷却散热进行了分析研究，设计了均匀分布的三条阿基米德螺旋线水槽，通过冷却水的循环对磁力耦合器的发热源铜盘进行冷却，使用ANSYS Fluent软件研究了水槽截面形状及面积、水流速度和初始水温对磁力耦合器散热性能的影响，主要研究结果如下：

（1）采用阿基米德螺旋线水槽冷却方案后永磁体的最高温度为44.2℃，远远低于其居里温度150℃，保证了永磁体在安全温度范围内工作；

（2）水槽截面面积越大，磁力耦合器的散热效果越好；相同截面面积下，截面为圆形的水槽比截面为矩形的水槽散热效果好，但是由于铜盘厚度较薄，且矩形加工较为简单，故综合考虑选择截面形状为矩形；

（3）在外界条件不变的情况下，铜盘和冷却水最高温度均随着水流速度增大而减小，随着冷却水初始温度的增大而增大。