电涡流缓速器转子温度场热流耦合分析

刘金 廖云飞

摘 要：电涡流缓速器的散热性能直接影响缓速器的制动性能，而缓速器转子的对流换热在其散热过程中起到了至关重要的作用。本文从电涡流缓速器实际工况出发，对两种机械结构的缓速器转盘进行了热流耦合分析，对转盘的受热关键区域进行逐层分析，探讨了转盘的对流散热情况和热应力集中情况。研究结果表明，改变缓速器的转子结构能有效改善其流场情况，增加层流的比例，减小紊流的情况，对降低缓速器的工作温度起到促进作用。

关键词：电涡流缓速器;温度场;热流耦合分析;机械结构;散热性能

中图分类号：TH132.4 文献标识码：A 文章编号：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

扭矩和热衰退率是衡量电涡流缓速器的重要指标。良好的缓速器应具有足够大的扭矩和较小的热衰退率[1，2]。转盘是电涡流缓速器的重要散热部件，其散热性能直接决定自身的温度。而转盘的温度会直接影响线圈的电阻率，进而影响感应电流的强度和感应磁场的强度，最终决定缓速器扭矩的大小[3，4]。可见，缓速器转盘的散热性能决定了缓速器的制动性能[5]。有研究认为，在转子盘主要依靠辐射和对流进行散热，其中对流换热的总贡献率高达60%～70%[6]。显然，对流换热对电涡流缓速器的散热性能起到了至关重要的作用[7]。

2 理论基础

转子温度分布受铁芯、定子材料和周围空气对流引起的热传导的影响，以及气隙、转子转速等，定子表面热通量为：

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

式中，[qc]为对流产生的热通量;[hc]为热传导系数;[Te]为环境温度。

转子的边界条件热传导方程为：

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

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

式中，[n]為定子边界上传导的法向矢量;[ε]为热辐射率;[σ]为Stefan-Boltzmann系数;[F*]为热辐射角系数。

根据傅里叶热定理原理，传热材料中单位截面的温度变化率和在单位时间内给其传导的热量成正比关系，公式如式（4）所示。此定理解释了热流密度、导热系数及温度梯度三者间的相互关系，是主要描述导热现象的物理学基本定理之一。

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

式中，[q]为热流密度，W/m2;λ，热导率，W/（m·K）;T为物体温度，K。

如果以直角坐标系为基准，则傅里叶导热定理公式为：

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

3 缓速器结构及其优化设计

3.1 缓速器结构

前、后转盘和中间轴一起构成了转子总成。转盘由具有高导磁性能的耐高温材料制成，其上设计有不同形状的散热肋片。散热肋片间形成的空气通道用以电涡流缓速器制动过程中的散热。转盘内部通过筋条连接。转盘与突缘固定，突缘通过花键与中间轴固定，转盘突缘与传动轴突缘通过螺栓锁紧相连，随着传动轴同时转动。

在工作状态下，转盘随传动轴一起转动。通过切割，由定子线圈通电后生成的磁力线而生热，热量通过转盘散热通道形成强制对流换热，同时高温转盘向外界辐射热量，图1为电涡流缓速器持续工作10min以上时转盘的状态图。缓速器前后转盘结构相同，外形一致，转盘转速一致，只是转盘风道的旋向不同。因此，将对象安装的2个缓速器转盘简化为单转盘进行分析。简化以后的模型如图2所示。

3.2 改进设计

为改善缓速器转盘的对流换热性能，笔者将原A转盘中渐开线叶片改为B转盘中的圆弧形叶片，并改进转盘边缘角度，以减少出风口处的紊乱气流，减少进气阻力，提高进风量。同时，增加叶片数量，提高传导散热的能力。此外，还对风道前缘进行了局部优化。转盘三维结构图如图3所示。

4 数值分析

4.1 有限元模型边界条件

如图4所示，有限元模型包含热源（贴近磁轭的厚盘）和散热盘（散热肋片、薄盘和连接辐条）两部分。而流体域则包含转盘附近半径0.315m范围的盘形区域，包括散热通道在内的旋转域和转盘外场半径1.5m，轴向0.5m范围内的远场域。

转盘数值分析参数如表1所示。

4.2 流场分布情况

图5显示了转盘工作过程中的空气三维流场情况。在转盘内部，A型转盘的内部紊流多于B型转盘的紊流，这导致A型转盘气流速度降低。紊流较少的B型转盘，气流阻力更小。可见，B型转盘的对流换热能力较A型转盘好。

4.3 温度场在厚盘轴向的分布情况

为进一步考察改进前后转盘温度场的分布情况，对图6描述的转盘厚盘轴向截面1至截面3共3个剖切平面进行了分析。

如图7所示，截面1的温度分布云图显示出A型转盘的温度分布明显不均匀，同一平面的温差非常大，其内部会由于变形而产生较B型转盘更多的形变应力。而B型转盘总体温度相对一致，没有极端高温或者低温的地方。

图8为截面2的温度云图。在该截面，A型转盘和B型转盘均出现了深蓝色的低温区。与截面1类似，在截面2上，A型转盘的内部整体温度分布仍然不均匀，未像B型转盘一样出现连片的高温区。同一平面仍然具有很大的温差。而B型转盘虽然也有成团的高温集中区域，但整体而言，其连成一片的高温区对变形的影响相对较小，形变应力也较小。

图9为截面3的温度云图。由图3可知，到此位置时，A型转盘和B型转盘的温度已经较低，基本不存在影响总体性能的残余应力。

由上述分析可知，A型转盘在每个截面的温度分布的一致性都比B型转盘要差，基本在每个截面都出现了温度集中的情况。相对而言，B型转盘在每个截面的温度分布都比A型转盘要均匀很多，其温度分布一致性很好。从温度分布情况来看，B型转盘的散热性能比A型好，关键是，其内部温度分布均匀性好，不会出现较大的形变应力。

5 结论

对两种转盘进行热-流耦合分析后发现，通过对缓速器转盘进行结构控制，进而控制缓速器的对流换热状况，得到了更好的转盘温度场分布状况。通过结构改进，原有转盘的对流形式由紊流占主体地位变为层流占主体地位，这一变化带来了转盘工作过程中更高的散热效率。对转盘厚盘进行温度场的分层考察后发现，转盘由于对流状况的改善，温度分布变得更均匀，降低了热应力的集中。

参考文献：

[1]何仁，胡东海，张端军.汽车电磁制动技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2013（3）：202-214.

[2]李德胜，尹汪雷，张凯.电磁液冷缓速器制动力矩影响参数[J].北京工业大学学报，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]張凯，李德胜，郑然，等.液冷自励式电磁缓速器研究[J].农业机械学报，2014（11）：20-6.

[6]刘金.一种电涡流缓速器散热系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，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.