基于改進隔離罩渦流損耗的磁耦合傳動裝置溫度場分析

符 盼，張 強，劉旭豪

(中國船舶重工集團公司第七〇五研究所昆明分部，云南昆明 650118)

基于改進隔離罩渦流損耗的磁耦合傳動裝置溫度場分析

符 盼，張 強，劉旭豪

(中國船舶重工集團公司第七〇五研究所昆明分部，云南昆明 650118)

磁耦合傳動裝置作為水下大深度尾軸密封的有效方法，工作時鈦合金隔離罩溫升過高可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，永磁體退磁。本文基于磁耦合傳動裝置的工作特點，建立2D和3D損耗模型，計算不同永磁體布置方式下隔離罩渦流損耗，擇選出最小損耗布置方式。利用Fluent軟件建立三維溫度場有限元分析模型，對渦流損耗優(yōu)化后的磁耦合傳動裝置，隔離罩、永磁體等主要部件瞬態(tài)溫度場求解分析。仿真結(jié)果表明，永磁體軸向分4段時，隔離罩渦流損耗最小，各部件瞬態(tài)溫升滿足安全性能要求。

磁耦合；隔離罩；渦流損耗；瞬態(tài)溫度場

0 引 言

隨著水下武器裝備的快速發(fā)展，如魚雷、潛艇等，逐步向大深度、遠航程這一更高目標邁進。在這個過程中，電動力推進系統(tǒng)尾軸動密封問題顯得尤為突出，也對其提出了更為嚴格的要求。磁耦合傳動裝置作為將推進尾軸連接部位的動密封轉(zhuǎn)化為靜密封的裝置，利用隔離罩內(nèi)外永磁體之間的磁力耦合相互作用[1-2]，來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的無接觸摩擦傳遞。磁耦合傳動裝置具有以下優(yōu)勢：1）轉(zhuǎn)矩傳遞平穩(wěn)，無接觸，無摩擦；2）傳遞轉(zhuǎn)矩過載時，自動保護停止工作；3）裝置相對轉(zhuǎn)動時，由于不存在直接接觸，可保證密封可靠性[3]。鑒于磁耦合傳動的以上優(yōu)點，在水下特別是大深度工作時具有廣闊的應(yīng)用前景。

磁耦合傳動裝置工作轉(zhuǎn)速低，傳遞功率大，工作時，由于氣隙磁場的交變在鈦合金隔離罩產(chǎn)生渦流損耗，渦流損耗長時積聚導(dǎo)致其發(fā)熱嚴重產(chǎn)生形變。另一方面，溫升過高也會使永磁體退磁，工作性能下降。所以，對磁耦合傳動裝置及隔離罩等主要部件的溫度場進行詳細分析對于提高整個傳動裝置的安全可靠性能有著十分重要的意義。

本文通過對某型磁耦合傳動裝置不同永磁體布置方式下的隔離罩渦流損耗進行計算，以減小隔離罩渦流損耗為目標，找到最優(yōu)的永磁體布置方式，然后對最優(yōu)方式下整個磁耦合傳動裝置，隔離罩、永磁體的瞬態(tài)溫度場求解分析，從而為其熱力學(xué)分析提供一定的依據(jù)。

1 幾何模型建立

圖1為該磁耦合傳動裝置的三維幾何模型，由傳動軸、支架、內(nèi)永磁體、隔離罩、外永磁體、殼體等6部分組成，其各部分材料見表1。

表1 磁耦合傳動裝置各部件材料Tab.1 Each component material of magnetic coupling driving device

2 損耗計算

在本磁耦合傳動裝置中，隔離罩渦流損耗作為整個裝置的主要熱源，從而影響其瞬態(tài)溫度場分布。因此首先計算隔離罩在不同永磁體布置方式下的渦流損耗。

2.1 隔離罩渦流損耗理論

由于隔離罩采用鈦合金材料，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，氣隙交變磁場在隔離罩內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流會使隔離罩發(fā)熱最終以熱量的形式耗散出去，從而引起隔離罩、永磁體等溫度升高，降低了傳動效率[4-5]。設(shè)氣隙磁密幅值為Bδ，則垂直于隔離罩表面感應(yīng)的磁密Bγ為：

式中：γ為內(nèi)外轉(zhuǎn)子間相位差。根據(jù)麥克斯韋方程組有

式中：β為隔離罩厚度；R為隔離罩半徑。

將式（1）代入式（2）可得：

式中：f為電頻率；P為極對數(shù)。

式（3）兩側(cè)同時積分可得：

隔離罩感應(yīng)電流密度：

式中：σ為隔離罩材料電導(dǎo)率。

對整個空間區(qū)域積分，隔離罩渦流損耗為：

式中：L為隔離罩軸向長度。

由式（7）可以看出，減小材料的電導(dǎo)率或隔離罩軸向長度可減少隔離罩渦流損耗。此外，在保證傳動扭矩要求的條件下，減小工作氣隙磁密也可達到相同目的。增加極對數(shù)也可實現(xiàn)，前提是對成本進行控制。降低電頻率f雖然可降低損耗，由于電頻率f和轉(zhuǎn)速成正比，與此同時也減小了磁耦合裝置的工作轉(zhuǎn)速[6]。

2.2 隔離罩2D和3D損耗模型有限元計算

本文通過對永磁體軸向分段數(shù)的不同來間接改變隔離罩材料的電導(dǎo)率，從而使得渦流損耗發(fā)生變化，為最小渦流損耗時永磁體軸向布置方式的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

通過對磁耦合裝置建立2D和3D有限元模型，計算2D整體永磁體隔離罩渦流損耗；對3D模型永磁體在軸向上分為2段、3段、4段，相差一個極距時分別計算其隔離罩渦流損耗，如圖2～圖5所示。

計算不同模型下隔離罩渦流損耗，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2結(jié)果可知，當(dāng)永磁體軸向分4段時，其隔離罩渦流損耗最小，為1.890 kW。

3 溫度場求解

隔離罩渦流損耗作為磁耦合傳動裝置主要熱源，將3D永磁體軸向分4段時的渦流損耗作為溫度場求解熱載荷，利用Fluent軟件建立三維有限元模型對瞬態(tài)溫度場進行求解，由于此裝置為短時工作制，求解分析10m in時整個傳動裝置、隔離罩、永磁體等溫度場分布。

表2 磁耦合裝置2D，3D不同模型下隔離罩渦流損耗Tab.2 The isolation cover eddy current loss of the2D,3D of different model of magnetic coupling device

3.1 傳熱學(xué)理論

對于二維有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，其導(dǎo)熱微分方程[7]為：

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，設(shè)導(dǎo)熱介質(zhì)為各向同性材料，所以x，y，z三個方向的熱導(dǎo)率和傳導(dǎo)的方向無關(guān)，從而有；為單位體積介質(zhì)的產(chǎn)能速率，W/m3；：傳熱介質(zhì)單位體積顯熱對時間的變化率；T為溫度，℃。ρ為介質(zhì)的密度，kg/m3；cp為比熱容，J/(kg.K)。T為時間常數(shù)，s。

初始條件為環(huán)境溫度20℃，即293 K，由于工作環(huán)境為水下，且隔離罩熱源相比于水要小的多，所以邊界條件設(shè)為恒溫邊界條件，即293 K，本例中用1/10模型進行溫度場求解分析，側(cè)面為絕熱邊界條件，如圖6所示。

3.2 瞬態(tài)溫度場求解

在隔離罩損耗計算中，3D永磁體軸向分4段時渦流損耗為1.890 kW。本文磁耦合裝置中，隔離罩發(fā)熱源部分軸向長度為150mm，直徑為71.5mm，厚度為1.5mm，算得體積。所以溫度場分析中源項有：

經(jīng)計算，源項在3D永磁體軸向分4段時的值為3.74×107W/m3。

為了對隔離罩受熱形變以及永磁體退磁溫升進行分析，重點求解了整個傳動裝置，隔離罩及內(nèi)外永磁體10m in時溫度場分布，如圖7～圖10所示。

3.3 瞬態(tài)溫度場分析

利用Fluent軟件對磁耦合傳動裝置從開始運行到10m in時的瞬態(tài)溫度場進行計算，鈦合金隔離罩由于受氣隙磁場的交變作用，切割磁力線產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗的大小與隔離罩材料的電導(dǎo)率有很大關(guān)系。首先計算了不同永磁體布置方式下的隔離罩渦流損耗，對比得當(dāng)永磁體軸向分4段時隔離罩渦流損耗最小，利用Fluent軟件求解此布置方式下10m in時傳動裝置，隔離罩及內(nèi)外永磁體瞬態(tài)溫度場。

10m in時磁耦合裝置最高溫度出現(xiàn)在熱源鈦合金隔離罩中心處，373 K，對比初始環(huán)境溫度293 K，溫升為80℃；外磁體最高點溫度58℃，遠低于N38UH永磁體不退磁安全溫度200℃。內(nèi)永磁體溫升僅為20℃。整個傳動裝置從溫度云圖來看，溫度梯度基本呈徑向變化，同一半徑處軸向溫度基本保持一致，裝置外隔離罩圓錐部分由于浸水環(huán)境和內(nèi)充空氣，熱阻大，導(dǎo)致溫升不明顯。支架和軸部分雖然熱導(dǎo)率大，由于遠離熱源和工作時軸浸入液體的原因，溫度沒有顯著變化。此工作時長下，鈦合金隔離罩溫升在合理范圍內(nèi)，材料強度不受影響。

4 結(jié) 語

本文計算了2D和3D不同永磁體排布方式下隔離罩的渦流損耗，優(yōu)化得出最小損耗時的永磁體布置方式。利用Fluent軟件對此布置方式下磁耦合裝置，隔離罩、內(nèi)外永磁體工作10m in的瞬態(tài)溫度場進行了分析求解。結(jié)果表明，裝置短時工作時，永磁體軸向分4段時隔離罩渦流損耗最小，溫度最高點出現(xiàn)在隔離罩中心處，溫度梯度基本呈徑向分布，在保證裝置安全性能的前提下，各主要部件溫升在合理范圍內(nèi)。本研究可為水下電動力推進裝置中磁耦合傳動溫度場分析提供一定的熱力學(xué)計算依據(jù)。

[1]于雅莉,趙波.水下磁耦合器隔離套渦流損耗及系統(tǒng)傳動效率分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(1):15–22.

[2]趙克中.磁耦合傳動裝置的理論與設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[3]王小雷,樊曉波.魚雷磁耦合傳動金屬隔離罩分析與優(yōu)化設(shè)計[J].魚雷技術(shù),2014,22(5):347–351.

[4]王夢文.磁力耦合器隔離套渦流場與溫度場的數(shù)值計算[J].機電工程,2010(8),40–47.

[5]CHARLESS JM.Magnetic coupling protects machinery[J].Design New,1999,7:26–28.

[6]SM ITH A C,WILLIAMSON S,BENHAMA A,etal.Magnetic drive coup lings[J].IEEE-EMD Conference,1998,153(2):289–294.

[7](美)英克魯佩勒 (Incropera,F.P.)等著;葛新石,葉宏譯.傳熱和傳質(zhì)基本原理:第六版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

Temperature field analysis of magnetic coup led transmission based on improved eddy current loss of separator

FU Pan,ZHANGQiang,LIU Xu-hao
(Kunming Branch of the705Research Institute of CSIC,Kunming 650118,China)

The magnetic coupling transmission is an effective method for the sealing of the underwater deep tail shaft.When the temperature rise of the titanium alloy isolation cover is exorbitantit will lead to the deformation of the structure and the demagnetization of the permanent magnet.Based on the working characteristics of the magnetic coupling transmission,the 2D and 3D loss models are established in this paper.We calculated the eddy current loss of the shield under different permanent magnet arrangement to select the minimum loss one.The finite element analysis model of three-dimensional temperature field is established by using Fluent software.We also analyze the transient temperature field of main components such as magnetic coupling drive,isolation cover and permanent magnet when eddy current loss is minimum.The simulation results show that the eddy current loss of the shield reaches the smallest when the permanent magnet is divided into four segments,and the transient temperatureof each component satisfies the safety performance requirement.

magnetic coupling；isolation cover；eddy current loss；transient temperature field

TP391.4

A

1672–7649(2017)12–0036–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.008

2017–07–04；

2017–08–24

符盼(1992–)，男，碩士研究生，主要從事電動力裝置熱力學(xué)方面的研究工作。