大间隙磁力传动系统的电磁体温升*

许焰 谭建平 王军锋 刘云龙 祝忠彦

(中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083)

磁力传动属于耦合传动，是以替代机械式传动为目的，应用永磁材料或电磁机构所产生的磁力作用，实现力或力矩非接触式传递的一种新技术［1-2］，因其可以实现非接触的动力传递，近年来被广泛应用于血泵驱动研究领域［3-5］.谭建平等［6］提出了一种大间隙磁力传动方法，并将其应用于可植入式永磁轴流式血泵的外磁场驱动，实验表明，在耦合间隙40 mm 的情况下，可输出0.7 N·mm 的扭矩，驱动轴流式血泵达到5 000 r/min，证明了这种驱动方式的可行性，并为轴流式血泵的临床应用提供了一个新的思路［7-11］.

然而，电磁能量的转换与传输，必然伴随着热量的产生和传递，倘若不能使系统内部热量及时散发，会导致工作部件持续温升，进而影响材料强度及系统性能，因此，为保证系统的可靠工作，必须对系统温度场进行了分析计算.Yuan 等［12］对微型发电机的温度场分布进行了分析;Higuchi 等［13］分析了圆柱导体中瞬态涡流场、温度场的变化情况;王艳武等［14］研究了电机转子的温度场和热应力场;丁树业等［15］分析计算了大型发电机定子的三维温度场;李志强等［16］研究了热冲击载荷下铝蜂窝夹芯结构的温度场及变形情况.

文中以轴流式血泵的大间隙磁力驱动系统为研究对象，对电磁体的温度分布以及热量损失、热流密度、热梯度等热物理参数进行分析，通过有限元仿真计算，得到了系统温度场的分布和变化规律，并对电磁驱动系统的电磁参数、运行环境参数等进行了优化设计.

1 系统传热机制分析

对于大间隙磁力传动系统，电磁体内部的热源主要来自线圈的铜损和铁心的铁损，通过热传导和热对流两种方式散发.图1 所示为“双T”型电磁发生装置热交换机制的模型图(文献［9］详细介绍了“双T”型驱动装置的磁传动机理)，在无强制散热措施时，线圈产生的热量，一部分通过热传导，经线圈和铁心之间的骨架绝缘层传给铁心，再通过铁心表面按对流换热方式散发到空气中;另一部分则直接靠对流换热，通过暴露在空气中的线圈表面传至空气中［17］.在电磁体线圈通电开始一段时间内，电磁体温度分布随时间变化，属于瞬态导热问题;连续工作一段时间后，其内部温度分布将保持稳定，温度场可视为稳态场.

图1 电磁体热交换机制的模型Fig.1 Model of heat exchange mechanism of electromagnet

2 电磁体温升的仿真计算

2.1 仿真条件及建模假设

线圈匝数均为650 匝、线径为0.31 mm;单个线圈通电电流0.8 A，环境温度为25 ℃，电磁体初始温度为25 ℃，空气流速为0 m/s.电磁体由多种材料组成，不是均匀发热体，假设其厚度方向各个截面的温度相等，从而将电磁体温度场计算模型简化为二维导热问题.

2.2 仿真步骤

(1)模型的构建

设置单元类型:Type1 PLANE55，四边形4 节点数.划分网格时设置单元大小为0.001，电磁体的结构参数如图1 所示.材料属性为:硅钢片、线圈和线圈骨架的密度分别为7650.0、8429.3、1700.0kg/m，比热容分别为446.0、395.7、1360.0 J/(kg·K).

(2)施加载荷及边界条件

设置环境温度为25 ℃;第三类边界条件需要施加对流载荷于模型周围，空气流速为0 m/s，故定义模型边界上的对流换热系数为α=14.2W/(m2·K);给铁心施加生热率QFe，给线圈单元体施加生热率QCu.

2.3 仿真结果及分析

用POST26 进行后处理，得到通电开始12 000 s时的电磁体温度场分布，如图2 所示.过高的温度必然会对系统的长时间运行产生严重影响，为研究电磁发生装置中的温度场变化规律，选取图2 中A、B、D 点为代表，查看电磁体通电开始12000 s 内不同位置的温度变化情况如图3 所示.

图2 电磁体稳态温度场分布Fig.2 Distribution of steady-state thermal field of electromagnet

图3 电磁体3 个不同位置点温度随时间的变化曲线Fig.3 Change curves of temperature with time at three different positions of electromagnet

由图2 可以看出:①电磁体温度场分布左右对称，单个电磁体温度场分布也呈左右对称;②当电磁体通电12000s 时，电磁体最低温度出现在骨架边缘(D 点附近)，为79.780 ℃;最高温度出现在通电线圈(B、C 所示位置)，达到108.860 ℃.

由图3 可以看出:①在前2400 s 内，电磁体温度上升较快;随着时间的推移，电磁体温度上升趋势减弱并最终达到稳定;②当t =9600 s 时，温度最大值与稳态时108.860 ℃相差不到1 ℃，故认为此时系统温度场达到稳定.

3 电磁体不同位置的温度测定实验

3.1 实验条件及设备

基本实验条件:电磁体铁芯采用142 片厚度为0.35 mm 的硅钢片压制而成，四组线圈匝数均为650 匝，线径为0.31mm，单个线圈通电电流为0.8A，保持室内温度25℃.利用DS18B20 数字温度传感器采集温度值并发送到上位机，测温范围为-55 ℃到125 ℃.

为避免在实验过程中烧坏线圈，本实验中仅对线圈通电开始300 s 内电磁体不同位置的温度进行测量，测点A-F 位置布置同样如图2 所示.

3.2 实验结果及分析

将各测点在线圈通电开始300 s 内不同时刻的温度仿真值及实验数据拟合成曲线，得到各个测点位置的温度值随时间变化的曲线如图4 所示.

图4 各测点温度随时间的变化曲线Fig.4 Change curves of temperature with time at each measuring point

由图4 可知:电磁体测试点温度随通电时间线性升高，仿真值与实验值相比较，两组曲线重合度较高，总体上是相符的，仿真结果是可信的.但由于几何建模、实验过程本身及材料属性假设等原因产生了一定偏差.

4 降低电磁体温升的措施分析

由于普通人体可承受的温度为46～55 ℃，须保证电磁体最高温度不超过50 ℃.通过对电磁体内部传热机制的分析可知，通过减少电磁体损耗、改善电磁体导热条件和散热条件等，可以有效降低电磁体温升.

(1)减少电磁体损耗

电磁体线圈通电电流是影响电磁体损耗的主要因素是，通过仿真可以得到，电磁体最高温度Tm随单个线圈通电电流I 大小变化的曲线如图5 所示.

图5 不同通电电流下的电磁体最高温度Fig.5 Maximum temperature of electromagnet with different currents

由温度随通电电流的变化曲线，拟合出温度和通电电流的函数关系式:

式中，θm为电磁体最高温度，I 为单个线圈通电电流.要保证电磁体最高温度θm不超过50℃，则电流I需要满足I ＜0.56 A.

(2)改善电磁体导热条件

由于电磁体线圈绕组导热能力最差，因此主要考虑从增大线圈绕组的导热系数方面来改善电磁体导热条件.设置单个线圈通电电流为0.55 A，环境温度为10 ℃.仿真得到不同导热系数下的电磁体最高温度变化情况如图6 所示.可以看出，随着线圈绕组导热系数的增大，电磁体最高温度逐渐减小，但是减小量很少.因此，通过改善电磁体导热条件并不能很好地解决电磁体温升问题.

(3)改善电磁体表面散热条件

忽略散热表面几何尺寸等因素，则可近似认为电磁体表面的换热系数α 仅决定于空气的流速v，电流、环境温度等参数设置同前，仿真得到不同空气流速下的电磁体最高温度数值和变化情况，如图7所示.

图6 不同导热系数下电磁体最高温度Fig.6 Maximum temperature of electromagnet with different thermal conductivities

图7 不同对流换热系数下电磁体最高温度Fig.7 Maximum temperature of electromagnet with different convective heat transfer coefficients

可以看出，当空气流速v =3.5 m/s 时，电磁体最高温度θm=50.103 ℃，所以要保证电磁体最高温度θm不超过50℃，则空气流速v 需要满足v ＞3.5m/s.

5 结论

通过对轴流式血泵的大间隙磁力驱动系统温度分布以及热量损失、热流密度、热梯度等热物理参数进行分析，以及有限元仿真计算，得到了系统温度场的分布和变化规律，电磁体最低温度出现在骨架边缘位置，为79.780 ℃;最高温度出现在通电线圈中央附近，达到108.860℃;当通电时间t=170min 时，系统温度场达到稳定.

针对电磁体温升过高的问题，通过对不同条件下电磁体稳态温度场进行仿真分析可知:减少电磁体损耗和改善电磁体散热条件能够有效降低电磁体温升，当电磁体单个线圈通电电流I ＜0.56 A、空气流速v ＞3.5 m/s 时，可以保证电磁体最高温度不超过50 ℃，为降低电磁体温升、保证系统稳定可靠地工作提供了理论依据.

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