矿用永磁偶合器离心负载调速最大发热点温度场研究

2021-02-04朱玉芹

煤炭工程 2021年1期

朱玉芹，王雷，刘昊

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122；2.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116023)

矿用永磁偶合器应用于矿山领域风机、水泵等离心负载场合调速，通过精确调节铜导体与永磁体之间的气隙控制输出转矩[1，2]，能够实现风机、水泵流量的精确调控，避免机械阀门节流损失，节能效果显著[3，4]。永磁偶合器可实现离心负载30%～97%调速范围，但是其运行过程中不同调速点铜盘热损耗不同，若一直运行于高发热点则极易造成永磁体及铜盘电磁性能衰减，传动能力下降，严重影运行寿命[5]，对其最高发热点工况下运行时的温度场进行分析、避免高温故障十分必要。

近年来，国内外专家对永磁偶合器二维三维温升特性进行了相关研究[6-8]。郭兰中等[9]针对筒式永磁偶合器长时间运转发热严重的问题，利用磁热耦合分析方法，对散热片进行优化仿真，显著降低了铜环和永磁体的最高温度。何文博等人[10]对永磁部件进行轴向温度场的仿真分析，阐述了合理选择铜盘厚度和转子厚度的重要性，对永磁偶合器的设计以及选型提供一定参考。刘伟等人[11]运用磁热双向耦合的数值计算方法对调速器进行耦合传热分析，得到导体转子和永磁体的温度场分布。Yanqing Chen等人[12]针对大功率偶合器温度场进行分析计算，并进行了流道优化，对高热损耗情况下散热设计具有一定意义。但以上研究多集中于传统额定工况稳态温度场分析，缺少应用于离心负载调速时恶劣工况温度变化分析，无法保证离心负载大转差调速下的温升控制，因此需要进行永磁偶合器应用于离心负载最大发热点情况下的温度分布，保障运行稳定性。

本文以河北某露天矿清水泵用永磁偶合器为例进行研究，其电机功率560kW，转速750r/min，由于轴向尺寸受限，要求风冷散热，而如此大功率、低转速、大扭矩情况下，热损耗可观，尤其在转差对应的最大发热点处温升尤其显著，为保证如此恶劣工况下的偶合器稳定运行进行散热设计。本文主要通过数学解析分析得到离心负载调速最大发热点对应的转差，并求出此时对应的热损耗，进而采用流固耦合速度场仿真计算散热片散热系数，最终求解温度分布计算。

1 矿用永磁偶合器结构原理

矿用永磁偶合器结构如图1所示，偶合器结构对称分布，主要由钢盘、铜导体、永磁体、散热片、外壳、调速机构及输入输出轴等组成。当电机带动铜导体旋转时，铜导体切割气隙间的磁力线，形成涡流。铜导体涡流使铜导体在磁场中受洛伦兹力作用，根据牛顿作用力与反作用力关系，大小相等、方向相反的力会作用在磁体盘上，使磁体盘按照一定的转速跟随铜导体旋转。铜导体和永磁体盘分别与电机和负载相连，实现电机到负载的转矩传递。

永磁偶合器与风机、水泵等离心式负载搭配使用时，性能曲线匹配如图2所示，其特性曲线成先增大后减小趋势，即随着转差率s增加，传递转矩先增大后减小，而负载曲线为非线性递增，二者有一个交点，永磁偶合器调速过程单调变化，转矩随气隙减小调节逐渐增大，当满足负载传递转矩时负载启动，此时稳定运行。而由于流量调节需要，永磁偶合器可能处于不同气隙、不同转差率情况下运行，此时发热量导致的设备运行温升变化不定，有可能处于最高发热点。此种情况下，温升过高将导致铜盘及永磁体磁场特性衰减，传动能力下降甚至消失，影响偶合器运行稳定性及寿命。因此，需要对离心式负载最大发热点情况下的温度场进行分析，保证温升不超限。

2 永磁偶合器最大发热点热损耗分析

560kW、750r/min永磁偶合器应用于露天矿水泵调速场合，转差率与额定转速、输出转速关系如下：

式中，no为输出转速，r/min；s为转差率；nN为额定转速，r/min。

对于水泵等离心负载，输出功率与额定功率间满足如下关系：

式中，Po为输出功率，kW；PN为额定功率，kW。

对于永磁偶合器，其损耗Ploss与输出功率的关系为：

将式(2)代入式(3)可得：

Ploss=s(1-s)2PN

(4)

对式(4)进行求导，可以得到：

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

(5)

由此可以得知，当s=1或者s=1/3时，Ploss存在极值，而水泵运行时，转差率s不可能为1，故在s=1/3时，永磁偶合器存在最大发热损耗，此时的热损耗值为：

Ploss=4PN/27

(6)

3 永磁调速最大发热点温度场分析及优化

3.1 散热片处散热系数计算

温度场分析采用流固耦合速度场计算散热系数、再将最大发热点运行热损耗及散热系数代入模型温度边界条件进行计算的方法。首先进行散热片处速度场计算，目的是为得到散热片及散热片钢盘表面空气流速，进而代入散热系数经验公式，得到散热片处散热系数，其他旋转散热系数依照线速度平均值代入经验公式计算即可[13]。

建立流固耦合速度场模型并进行计算可知，散热片处速度云图如图3所示，散热片处流速数据分布图如图4所示，由图可知外围环境空气在散热片翅片旋转扰流作用下由散热片底端流入翅片间隙，在旋转离心加速作用下速度明显上升，于散热片顶端流出，散热片出口处空气流速最快。为保证散热系数计算精确性，本文采用输出散热片平均速度v=32.2m/s作为散热片表面空气流速，代入散热系数计算经验公式可得：

图4 散热片处空气流速数据分布

式中，α0为发热表面在平静空气中的散热系数，W/(m2·k)；v为空气吹拂表面平均速度，m/s；k为气流吹拂效率系数，(s·m-1)1/2。

根据偶合器的材料属性，α0取16.7W/(m2·k)；k为1.3(s·m-1)1/2。

3.2 最大发热点温度场计算及分析

基于永磁偶合器结构建立单个永磁体盘及铜导体盘散热物理模型，主要包括散热片、钢盘、铜导体、空气隙、永磁体盘、永磁体及永磁体盖等部分，并对其进行材料赋值，网格划分，得到完整物理分析模型。额定传递功率560kW情况下，整机最大热损耗为：

Ploss=4PN/27=4×560/27=83kW

(8)

则单盘最大发热点时热损耗为41.5kW。进而将热损耗、散热片及钢盘散热系数等作为边界条件输入，值得注意的是现场环境温度为45℃，接下来进行热力学仿真计算，得到整机温度分布及变化规律。

永磁偶合器单盘温度分布如图5所示，其中温度最高处为热源铜盘，最高温度为107.53℃，最低温度为永磁体盘处69.3℃，散热片处平均温度约为77℃左右，永磁体温度分布如图6所示，在78℃到86℃之间。温度如此分布主要原因是，以热源铜盘为中线沿轴向向两边热传导，由于有空气气隙的阻力，大部分热量通过旋转散热片与空气强制对流散热到外部环境中，散热片处温度稍高，永磁体盘侧温升较低。

图5 单盘整机温度分布

图6 永磁体温度分布

但是由于基础环境温度较高，致使周围对流换热效果不够理想，整机温度较高，虽然在最大涡流损耗情况下，散热片处温度满足永磁偶合器能源行业标准(不高于85℃)要求[14]，但铜盘与永磁体温度过高，导致铜盘导磁性能及永磁体磁性大幅衰减，严重情况下传递扭矩能力降低可达30%，影响现场应用。为提升运行于高温环境、高热损耗的永磁偶合器传动性能，需要对传统风冷散热系统进行优化设计，增加设备内部及周围空气湍流强度，加强散热能力。

本文提出一种在散热片下部、钢盘内圈开吸风孔的方式进行风场强扰流优化，并进行流固耦合速度场仿真，显示散热片处速度云图、散热片空气域及吸风孔等速度矢量图，如图7所示。钢盘增加吸风孔后，整机最高温度由原来的38.9m/s上升至44.7m/s，输出平均速度为36.3m/s，此时散热系数为147.5W/(m2·k)。同时，吸风孔处风速约为25m/s左右，通过吸风孔风量导入可以加强内部铜盘及永磁体间气隙流速，提高湍流程度，进而提高散热系数及散热能力。

图7 散热片及吸风孔速度分布

将带吸风孔的模型进行最大热损耗温度仿真计算，并将两种状态下的永磁偶合器温度分布沿轴线方向提取对比，如图8所示。开吸风孔后最高温度约为98℃，最低温度约为69℃，散热片处平均温度约为73℃，永磁体温度在74℃到81℃之间，相较于未开吸风孔状态时温度有较为明显的改善。最高温度为热源铜盘处，降低近10℃，其余零部件温度相差4～6℃。同时由磁体盖沿轴向往散热片移动温升先升高后降低，热源铜盘处温度最高，开吸风孔后整机温度分布更加均匀，降低温度梯度，提高偶合器最大发热点运行情况下可靠性。