礦用永磁偶合器離心負載調速最大發熱點溫度場研究

朱玉芹，王 雷，劉 昊

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116023)

礦用永磁偶合器應用于礦山領域風機、水泵等離心負載場合調速，通過精確調節銅導體與永磁體之間的氣隙控制輸出轉矩[1，2]，能夠實現風機、水泵流量的精確調控，避免機械閥門節流損失，節能效果顯著[3，4]。永磁偶合器可實現離心負載30%～97%調速范圍，但是其運行過程中不同調速點銅盤熱損耗不同，若一直運行于高發熱點則極易造成永磁體及銅盤電磁性能衰減，傳動能力下降，嚴重影運行壽命[5]，對其最高發熱點工況下運行時的溫度場進行分析、避免高溫故障十分必要。

近年來，國內外專家對永磁偶合器二維三維溫升特性進行了相關研究[6-8]。郭蘭中等[9]針對筒式永磁偶合器長時間運轉發熱嚴重的問題，利用磁熱耦合分析方法，對散熱片進行優化仿真，顯著降低了銅環和永磁體的最高溫度。何文博等人[10]對永磁部件進行軸向溫度場的仿真分析，闡述了合理選擇銅盤厚度和轉子厚度的重要性，對永磁偶合器的設計以及選型提供一定參考。劉偉等人[11]運用磁熱雙向耦合的數值計算方法對調速器進行耦合傳熱分析，得到導體轉子和永磁體的溫度場分布。Yanqing Chen等人[12]針對大功率偶合器溫度場進行分析計算，并進行了流道優化，對高熱損耗情況下散熱設計具有一定意義。但以上研究多集中于傳統額定工況穩態溫度場分析，缺少應用于離心負載調速時惡劣工況溫度變化分析，無法保證離心負載大轉差調速下的溫升控制，因此需要進行永磁偶合器應用于離心負載最大發熱點情況下的溫度分布，保障運行穩定性。

本文以河北某露天礦清水泵用永磁偶合器為例進行研究，其電機功率560kW，轉速750r/min，由于軸向尺寸受限，要求風冷散熱，而如此大功率、低轉速、大扭矩情況下，熱損耗可觀，尤其在轉差對應的最大發熱點處溫升尤其顯著，為保證如此惡劣工況下的偶合器穩定運行進行散熱設計。本文主要通過數學解析分析得到離心負載調速最大發熱點對應的轉差，并求出此時對應的熱損耗，進而采用流固耦合速度場仿真計算散熱片散熱系數，最終求解溫度分布計算。

1 礦用永磁偶合器結構原理

礦用永磁偶合器結構如圖1所示，偶合器結構對稱分布，主要由鋼盤、銅導體、永磁體、散熱片、外殼、調速機構及輸入輸出軸等組成。當電機帶動銅導體旋轉時，銅導體切割氣隙間的磁力線，形成渦流。銅導體渦流使銅導體在磁場中受洛倫茲力作用，根據牛頓作用力與反作用力關系，大小相等、方向相反的力會作用在磁體盤上，使磁體盤按照一定的轉速跟隨銅導體旋轉。銅導體和永磁體盤分別與電機和負載相連，實現電機到負載的轉矩傳遞。

永磁偶合器與風機、水泵等離心式負載搭配使用時，性能曲線匹配如圖2所示，其特性曲線成先增大后減小趨勢，即隨著轉差率s增加，傳遞轉矩先增大后減小，而負載曲線為非線性遞增，二者有一個交點，永磁偶合器調速過程單調變化，轉矩隨氣隙減小調節逐漸增大，當滿足負載傳遞轉矩時負載啟動，此時穩定運行。而由于流量調節需要，永磁偶合器可能處于不同氣隙、不同轉差率情況下運行，此時發熱量導致的設備運行溫升變化不定，有可能處于最高發熱點。此種情況下，溫升過高將導致銅盤及永磁體磁場特性衰減，傳動能力下降甚至消失，影響偶合器運行穩定性及壽命。因此，需要對離心式負載最大發熱點情況下的溫度場進行分析，保證溫升不超限。

2 永磁偶合器最大發熱點熱損耗分析

560kW、750r/min永磁偶合器應用于露天礦水泵調速場合，轉差率與額定轉速、輸出轉速關系如下：

式中，no為輸出轉速，r/min；s為轉差率；nN為額定轉速，r/min。

對于水泵等離心負載，輸出功率與額定功率間滿足如下關系：

式中，Po為輸出功率，kW；PN為額定功率，kW。

對于永磁偶合器，其損耗Ploss與輸出功率的關系為：

將式(2)代入式(3)可得：

Ploss=s(1-s)2PN

(4)

對式(4)進行求導，可以得到：

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

(5)

由此可以得知，當s=1或者s=1/3時，Ploss存在極值，而水泵運行時，轉差率s不可能為1，故在s=1/3時，永磁偶合器存在最大發熱損耗，此時的熱損耗值為：

Ploss=4PN/27

(6)

3 永磁調速最大發熱點溫度場分析及優化

3.1 散熱片處散熱系數計算

溫度場分析采用流固耦合速度場計算散熱系數、再將最大發熱點運行熱損耗及散熱系數代入模型溫度邊界條件進行計算的方法。首先進行散熱片處速度場計算，目的是為得到散熱片及散熱片鋼盤表面空氣流速，進而代入散熱系數經驗公式，得到散熱片處散熱系數，其他旋轉散熱系數依照線速度平均值代入經驗公式計算即可[13]。

建立流固耦合速度場模型并進行計算可知，散熱片處速度云圖如圖3所示，散熱片處流速數據分布圖如圖4所示，由圖可知外圍環境空氣在散熱片翅片旋轉擾流作用下由散熱片底端流入翅片間隙，在旋轉離心加速作用下速度明顯上升，于散熱片頂端流出，散熱片出口處空氣流速最快。為保證散熱系數計算精確性，本文采用輸出散熱片平均速度v=32.2m/s作為散熱片表面空氣流速，代入散熱系數計算經驗公式可得：

圖4 散熱片處空氣流速數據分布

式中，α0為發熱表面在平靜空氣中的散熱系數，W/(m2·k)；v為空氣吹拂表面平均速度，m/s；k為氣流吹拂效率系數，(s·m-1)1/2。

根據偶合器的材料屬性，α0取16.7W/(m2·k)；k為1.3(s·m-1)1/2。

3.2 最大發熱點溫度場計算及分析

基于永磁偶合器結構建立單個永磁體盤及銅導體盤散熱物理模型，主要包括散熱片、鋼盤、銅導體、空氣隙、永磁體盤、永磁體及永磁體蓋等部分，并對其進行材料賦值，網格劃分，得到完整物理分析模型。額定傳遞功率560kW情況下，整機最大熱損耗為：

Ploss=4PN/27=4×560/27=83kW

(8)

則單盤最大發熱點時熱損耗為41.5kW。進而將熱損耗、散熱片及鋼盤散熱系數等作為邊界條件輸入，值得注意的是現場環境溫度為45℃，接下來進行熱力學仿真計算，得到整機溫度分布及變化規律。

永磁偶合器單盤溫度分布如圖5所示，其中溫度最高處為熱源銅盤，最高溫度為107.53℃，最低溫度為永磁體盤處69.3℃，散熱片處平均溫度約為77℃左右，永磁體溫度分布如圖6所示，在78℃到86℃之間。溫度如此分布主要原因是，以熱源銅盤為中線沿軸向向兩邊熱傳導，由于有空氣氣隙的阻力，大部分熱量通過旋轉散熱片與空氣強制對流散熱到外部環境中，散熱片處溫度稍高，永磁體盤側溫升較低。

圖5 單盤整機溫度分布

圖6 永磁體溫度分布

但是由于基礎環境溫度較高，致使周圍對流換熱效果不夠理想，整機溫度較高，雖然在最大渦流損耗情況下，散熱片處溫度滿足永磁偶合器能源行業標準(不高于85℃)要求[14]，但銅盤與永磁體溫度過高，導致銅盤導磁性能及永磁體磁性大幅衰減，嚴重情況下傳遞扭矩能力降低可達30%，影響現場應用。為提升運行于高溫環境、高熱損耗的永磁偶合器傳動性能，需要對傳統風冷散熱系統進行優化設計，增加設備內部及周圍空氣湍流強度，加強散熱能力。

本文提出一種在散熱片下部、鋼盤內圈開吸風孔的方式進行風場強擾流優化，并進行流固耦合速度場仿真，顯示散熱片處速度云圖、散熱片空氣域及吸風孔等速度矢量圖，如圖7所示。鋼盤增加吸風孔后，整機最高溫度由原來的38.9m/s上升至44.7m/s，輸出平均速度為36.3m/s，此時散熱系數為147.5W/(m2·k)。同時，吸風孔處風速約為25m/s左右，通過吸風孔風量導入可以加強內部銅盤及永磁體間氣隙流速，提高湍流程度，進而提高散熱系數及散熱能力。

圖7 散熱片及吸風孔速度分布

將帶吸風孔的模型進行最大熱損耗溫度仿真計算，并將兩種狀態下的永磁偶合器溫度分布沿軸線方向提取對比，如圖8所示。開吸風孔后最高溫度約為98℃，最低溫度約為69℃，散熱片處平均溫度約為73℃，永磁體溫度在74℃到81℃之間，相較于未開吸風孔狀態時溫度有較為明顯的改善。最高溫度為熱源銅盤處，降低近10℃，其余零部件溫度相差4～6℃。同時由磁體蓋沿軸向往散熱片移動溫升先升高后降低，熱源銅盤處溫度最高，開吸風孔后整機溫度分布更加均勻，降低溫度梯度，提高偶合器最大發熱點運行情況下可靠性。

圖8 開吸風孔前后溫度對比

4 結 語

本文以560kW、750r/min礦用永磁偶合器應用于露天礦離心水泵最大發熱點工況溫度場變化進行了分析，為離心負載永磁調速最大發熱點工況運行溫升控制及散熱優化提供依據。主要結論如下：

1)通過理論分析可知，熱損耗與轉差呈3次方關系，散熱片散熱系數139.9W/(m2·k)。

2)最大發熱點下整機溫度最高為107.53℃，最低溫度為永磁體盤處69.3℃，散熱片處平均溫度約為77℃左右，雖滿足安全運行要求，但溫度較高對傳動能力有損。

3)提出鋼盤內圈開吸風孔的方式，提高速度場空氣流速及銅盤與鋼盤內部氣隙湍流程度，提高散熱系數至147.5W/(m2·k)，整機溫度最高降低10℃，溫度分布更加均勻。