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磁力联轴器隔离套涡流场与温度场的数值计算

2021-03-19 08:48:59

磁力联轴器隔离套涡流场与温度场的数值计算

   为了满足永磁磁力联轴器(PMSC)转矩传递过程中的介质无泄漏要求,在PMSC内外转子间更加了隔离套,隔离套处在变化的磁场中,其内部将产生涡流,导致涡流损耗和隔离套的发热问题,采用二维有限元法对PMSC隔离套区域涡流场进行了计算,深受了隔离套内的涡流和涡流损耗。在此基础上结合流体相似理论深受了散热系数,并对所建立的三维暂态温度场进行了数值计算,分别深受了隔离套内涡流损耗、隔离套平均温度与隔离套材料电阻率及PMSC转速之间的关系曲线,为磁力联轴器的设计提供了参考依据。

永磁磁力联轴器(PMSC)主要利用磁体之间存在超距磁力作用的特性,实现了在全部没有用械联系的情况下传递运动和转矩,应用磁力联轴器的磁传动装置的结构示意图,主要部件有3部分:主动(外)转子与工作机械(如水泵叶轮、风机叶片、搅拌桨等)相连,从动(内)转子及隔离套。主、从动转子间设置隔离套,使轴端的动密封变为静密封,实现零泄漏,这一特性使其在密封传动行业有着重要的应用。非金属材料的隔离套受输送介质温度、压力的制约,应用范围有确定的限制,所以隔离套一般采用金属材料。PMSC正常工作时,金属隔离套内部将产生涡流,涡流效应一方面减弱了原来的工作磁场,降低了传递扭矩;另一方面产生的涡流发热,将造成相当大的功率损失,使磁力传动效率大幅度下降,某些情况下涡流损耗功率甚至超过总传递功率的50,尤其是高转速、大功率的PMSC涡流损耗在数值上大的。这不仅是能源的浪费,而且它所转化的大量热量,需要及时而充分地冷却,否则热量积累导致的温升可能使磁钢退磁失效,也可能造成其它故障。所以,磁力联轴器的涡流问题不但影响磁力联轴器的运行经济性,也会影响磁力联轴器的运行优良性。因此,如果不能够定量的掌握磁力联轴器的涡流问题,就无法准确地确定磁力联轴器的效率和合理的动力配套,更无法进行磁力驱动器冷却系统的设计。所以,本研究对磁力联轴器金属隔离套涡流问题进行研究,PMSC各部件间的温度分布有较大的差异,较高温度点出现在隔离套上,而且隔离套的温度明显高于其他各部件的温度。这主要是因为PMSC的发热热源很集中,而且隔离套两边均为热导率很小的气隙,PMSC正常工作时,隔离套的热量主要是通过这两个气隙向外传导的,因此,造成了隔离套有较高的温升。

(1)通过对PMSC隔离套涡流场的数值计算可知,隔离套内涡流和涡流损耗密度的分布是比较复杂的,隔离套的材料选择及PMSC的转速对涡流损耗的影响较大,其值随着隔离套电阻率的更加而减少,随着PMSC的转速更加而更加,这主要是因为涡流损耗与导电介质的导电率及磁场变化频率的二次方成正比而引起的。(2)PMSC各部件间的温度分布有较大差异,较高温度点出现在隔离套上,而且隔离套的温度明显高于其他各部件的温度。这主要是因为PMSC的发热热源很集中,且隔离套两边均为热导率很小的气隙所造成的。永磁体内的温度沿轴向对称分布,较高温度出现在轴向中点处,这是因为内、外转子磁体沿轴向是全部对称的,且热量主要来源于热传导。(3)PMSC隔离套的温升与隔离套材料及PMSC转速密切相关,随着隔离套的电阻率更加而减少,随着PMSC的转速更加而更加,且PMSC转速对温升的影响较隔离套材料电阻率对PMSC温升的影响更加剧烈,这是因为隔离套的热源与PMSC转速的二次方成正比,仅与电阻率的一次方成正比引起的。(4)从限制温升与损耗的角度考虑,PMSC隔离套应采用电阻率较大、不导磁的材料,而且PMSC的及数要设计的较少,以降低隔离套中的交变频率。