磁力聯軸器隔離套渦流場與溫度場的數值計算

   為了滿足永磁磁力聯軸器(PMSC)轉矩傳遞過程中的介質無泄漏要求,在PMSC內外轉子間更加了隔離套,隔離套處在變化的磁場中,其內部將產生渦流,導致渦流損耗和隔離套的發熱問題,采用二維有限元法對PMSC隔離套區域渦流場進行了計算,深受了隔離套內的渦流和渦流損耗。在此基礎上結合流體相似理論深受了散熱系數,并對所建立的三維暫態溫度場進行了數值計算,分別深受了隔離套內渦流損耗、隔離套平均溫度與隔離套材料電阻率及PMSC轉速之間的關系曲線,為磁力聯軸器的設計提供了參考依據。

永磁磁力聯軸器(PMSC)主要利用磁體之間存在超距磁力作用的特性,實現了在全部沒有用械聯系的情況下傳遞運動和轉矩,應用磁力聯軸器的磁傳動裝置的結構示意圖,主要部件有3部分:主動(外)轉子與工作機械(如水泵葉輪、風機葉片、攪拌槳等)相連,從動(內)轉子及隔離套。主、從動轉子間設置隔離套,使軸端的動密封變為靜密封,實現零泄漏,這一特性使其在密封傳動行業有著重要的應用。非金屬材料的隔離套受輸送介質溫度、壓力的制約,應用范圍有確定的限制,所以隔離套一般采用金屬材料。PMSC正常工作時,金屬隔離套內部將產生渦流,渦流效應一方面減弱了原來的工作磁場,降低了傳遞扭矩;另一方面產生的渦流發熱,將造成相當大的功率損失,使磁力傳動效率大幅度下降,某些情況下渦流損耗功率甚至超過總傳遞功率的50，尤其是高轉速、大功率的PMSC渦流損耗在數值上大的。這不僅是能源的浪費,而且它所轉化的大量熱量,需要及時而充分地冷卻,否則熱量積累導致的溫升可能使磁鋼退磁失效,也可能造成其它故障。所以,磁力聯軸器的渦流問題不但影響磁力聯軸器的運行經濟性,也會影響磁力聯軸器的運行優良性。因此,如果不能夠定量的掌握磁力聯軸器的渦流問題,就無法準確地確定磁力聯軸器的效率和合理的動力配套,更無法進行磁力驅動器冷卻系統的設計。所以,本研究對磁力聯軸器金屬隔離套渦流問題進行研究,PMSC各部件間的溫度分布有較大的差異,較高溫度點出現在隔離套上,而且隔離套的溫度明顯高于其他各部件的溫度。這主要是因為PMSC的發熱熱源很集中,而且隔離套兩邊均為熱導率很小的氣隙,PMSC正常工作時,隔離套的熱量主要是通過這兩個氣隙向外傳導的,因此,造成了隔離套有較高的溫升。

(1)通過對PMSC隔離套渦流場的數值計算可知,隔離套內渦流和渦流損耗密度的分布是比較復雜的,隔離套的材料選擇及PMSC的轉速對渦流損耗的影響較大,其值隨著隔離套電阻率的更加而減少,隨著PMSC的轉速更加而更加,這主要是因為渦流損耗與導電介質的導電率及磁場變化頻率的二次方成正比而引起的。(2)PMSC各部件間的溫度分布有較大差異,較高溫度點出現在隔離套上,而且隔離套的溫度明顯高于其他各部件的溫度。這主要是因為PMSC的發熱熱源很集中,且隔離套兩邊均為熱導率很小的氣隙所造成的。永磁體內的溫度沿軸向對稱分布,較高溫度出現在軸向中點處,這是因為內、外轉子磁體沿軸向是全部對稱的,且熱量主要來源于熱傳導。(3)PMSC隔離套的溫升與隔離套材料及PMSC轉速密切相關,隨著隔離套的電阻率更加而減少,隨著PMSC的轉速更加而更加,且PMSC轉速對溫升的影響較隔離套材料電阻率對PMSC溫升的影響更加劇烈,這是因為隔離套的熱源與PMSC轉速的二次方成正比,僅與電阻率的一次方成正比引起的。(4)從限制溫升與損耗的角度考慮,PMSC隔離套應采用電阻率較大、不導磁的材料,而且PMSC的及數要設計的較少,以降低隔離套中的交變頻率。