CN110321602B - 一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法属于磁力传动技术领域，涉及一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法。该方法以矿用磁力耦合器的实际工况热源为出发点，根据铜导体层的实际尺寸布置径向测头和轴向测头，获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度。将铜导体层的圆环区域等效成长方形区域，通过二次方函数拟合方程计算出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度。根据热力学边界条件，计算出矿用磁力耦合器全场温度。该方法改善有限元方法计算的繁琐性和不可靠性，实现矿用磁力耦合器全场温度快速准确的计算，计算过程简便，计算速度快捷，在煤矿工程中具有重要的实际应用价值。

Description

一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法

技术领域

本发明属于磁力传动技术领域，涉及一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法。

背景技术

随着工业水平的不断进步，磁力传动技术在煤矿领域得到广泛地应用。磁力耦合器是磁力传动技术的代表装置，也是煤矿机械的的重要组成环节，其安全问题越来越受到重视。磁力耦合器利用电磁感应原理进行动力传递，伴随的涡流发热会导致零部件发热失效，比如永磁体在温升过大时发生退磁失效、紧固螺钉因高温发生变形失效等，对于有爆炸危险的煤矿生产环境，可能会导致严重的生产事故。因此，对矿用磁力耦合器全场温度进行有效地计算，对煤矿生产的安全高效和企业整体的经济效益具有重要意义。目前针对矿用磁力耦合器全场温度的计算主要是有限元方法，仅限于理论层面的分析，缺乏实验验证，并且耗时较长，计算过程繁琐。

针对矿用磁力耦合器全场温度的研究，中国矿业大学的时剑文等人于2017年在《煤矿机电》第5期发表了文章《永磁磁力偶合器的温度场有限元分析》，针对矿用磁力耦合器采用Pro/E软件进行模型建立，然后将模型导入Workbench软件稳态热模块中对矿用磁力耦合器各构件的温度进行计算，计算时热源不可靠、计算步骤复杂、仿真结果可信度低；大连交通大学的石峰等人于2019年2月在《大连交通大学学报》第40卷第1期上发表了文章《基于Workbench的盘式磁力耦合器的温度场分析》，通过Ansoft软件计算出矿用磁力耦合器理论上的热源，然后导入到Workbench中进行温度场计算，计算时需要设置参数较多、网格划分参差不齐、仿真时间长。综上所述，有限元方法仅在理论层面计算矿用磁力耦合器全场温度，不能真实有效地反映矿用磁力耦合器全场温度。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，发明了一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法，其目的是针对煤矿机械所用磁力耦合器全场温度进行更真实、真准确的计算，进而保证煤矿生产的运转和人员的安全。该方法从矿用磁力耦合器全场温度的实际工况热源出发，根据铜导体层的实际尺寸布置径向测头和轴向测头，获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度。采用计算方法求出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度；再根据热力学边界条件，计算出矿用磁力耦合器全场温度。从根源上解决矿用磁力耦合器全场温度计算的难点，改善现阶段有限元方法计算的繁琐性和不可靠性，实现矿用磁力耦合器全场温度快速准确的计算。该方法计算过程简便，计算速度快捷，在煤矿工程中具有重要的实际应用价值。

本发明采用的技术方案是一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法，其特征是，该方法以矿用磁力耦合器的实际工况热源为出发点，根据铜导体层的实际尺寸布置径向测头和轴向测头，获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度；将铜导体层的圆环区域等效成长方形区域，通过二次方函数拟合方程计算出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度；根据热力学边界条件，计算出矿用磁力耦合器全场温度。计算方法的具体步骤如下：

第一步、获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度

矿用磁力耦合器在正常运行过程中，铜导体层1切割永磁体层2中n个永磁体发射的磁力线促使在铜导体层1表面产生涡流，涡流发热导致铜导体层1成为热量的源头。根据铜导体层1的内径r_in、铜导体层1的外径r_out，计算出铜导体层1的径向长度L_r为

L_r＝r_out-r_in (1)

进一步计算出铜导体层1的平均半径r_a为

r_a＝(r_in+r_out)/2 (2)

为了能有效反映铜导体层1径向和圆周向的温度，对测头采用均布的方式。因此，沿铜导体层1径向布置径向测头，第一径向测头3、第二径向测头4、第三径向测头5、第四径向测头6及第五径向测头7的布置位置分别为r_in+L_r/6、r_in+L_r/3、r_in+L_r/2、r_in+2L_r/3、r_in+5L_r/6；沿铜导体层1的平均半径r_a处布置周向测头，第一周向测头8、第二周向测头9、第三周向测头10及第四周向测头11的布置角度分别为90°-360°/n、90°-180°/n、90°+180°/n、90°+360°/n。

矿用磁力耦合器运行稳定之后，获得第一径向测头3、第二径向测头4、第三径向测头5、第四径向测头6及第五径向测头7的稳态温度依次为T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5；获得第一周向测头8、第二周向测头9、第三周向测头10及第四周向测头11的稳态温度依次为T_c1、T_c2、T_c3、T_c4。

第二步、计算矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度

为了便于计算矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度，将铜导体层1的圆环区域等效成长方形区域，该等效长方形区域的宽度为L_r，计算出该等效长方形区域长度C为

C＝(πr_out ²-πr_in ²)/L_r (3)

针对径向测头稳态温度T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5和周向测头稳态温度T_c1、T_c2、T_r3、T_c3、T_c4分别二次方函数拟合，拟合方程为

式(4)中，x_i、y_i为要拟合点的横坐标、纵坐标，k₀、k₁、k₂为拟合曲线的系数。

根据式(4)所述的方程,径向测头稳态温度T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5的拟合曲线表达式f(t)为

f(t)＝a₀+a₁t+a₂t² (5)

根据式(4)所述的方程,周向测头稳态温度T_c1、T_c2、T_r3、T_c3、T_c4的拟合曲线表达式g(t')为

g(t')＝b₀+b₁t'+b₂t'² (6)

对铜导体层1的效成长方形区域进行积分，相当于沿周向和径向两个方向进行积分，计算出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度T_all为

第三步、计算矿用磁力耦合器全场温度

永磁体层2与铜导体层1之间存在距离为L_air的空气间隙，矿用磁力耦合器在正常运行过程中，铜导体层1散发的热量经过一定时间穿透空气间隙L_air传热到永磁体层2表面，这个传热过程同时存在热力学一、二、三类边界条件，因此，该传热过程遵循以下表达式

式(8)中，q_c为铜导体层表面的热流密度，λ为空气传热系数，

为温度传热梯度，α_c为铜导体层1与空气的散热系数，T_mag为永磁体层2的表征温度。

铜导体层与空气的散热系数α_c主要取决于空气的流速，铜导体层与空气的散热系数α_c的表达式为

式(9)中，k为空气吹拂效率值，α_air为静态空气散热系数，ν为铜导体层1相对于永磁体层2的运动线速度。

铜导体层1相对于永磁体层2的运动线速度ν为

ν＝πr_aΔS/30 (10)

式(10)中，ΔS为铜导体层1相对于永磁体层2的转速差。

通过上述式(8)-(10)之间的关系，得到永磁体层2表面的表征温度T_mag，为了保证矿用磁力耦合器的正常运转，T_mag必须遵循以下关系表达式

T_mag≤180℃ (11)

矿用磁力耦合器其他零部件的温度远低于永磁体层2表面的表征温度，不会对生产安全产生影响，不必验算其他零部件。因此，计算出矿用磁力耦合器全场温度T_total≤T_mag。

本发明的有益效果是该方法以矿用磁力耦合器的实际工况热源为出发点，根据铜导体层的实际尺寸布置径向测头和轴向测头，获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度。采用计算方法求出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度；并充分考虑了热力学边界条件，确保矿用磁力耦合器全场温度的精确性。改善了现阶段有限元方法计算的繁琐性和不可靠性，实现矿用磁力耦合器全场温度快速准确的计算。该方法计算过程简便，计算速度快捷，在煤矿工程中具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法流程图。

图2是矿用磁力耦合器运行结构示意图，图3是矿用磁力耦合器测头布置示意图。其中，1-铜导体层，2-永磁体层,3-第一径向测头，4-第二径向测头，5-第三径向测头，6-第四径向测头，7-第五径向测头，8-第一周向测头，9-第二周向测头，10-第三周向测头，11-第四周向测头。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明实施例作进一步阐述

本实施例选用一台输入转速1500r/min及10磁极数矿用磁力耦合器全场温度进行计算。

其中，输入转速1500r/min及10磁极数矿用磁力耦合器永磁体个数n＝10，铜导体层的内径r_in＝125mm、铜导体层的外径r_out＝290mm，空气间隙L_air＝4mm，铜导体层1相对于永磁体层2的转速差ΔS＝30r/min，空气吹拂效率值k＝0.1，静态空气散热系数α_air＝5W/(m·℃)，铜导体层表面的热流密度q_c＝186W/m。

图2是矿用磁力耦合器运行结构示意图，其中，1-铜导体层，2-永磁体层。图1是一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法流程图，计算方法的具体步骤如下：

第一步、获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度

矿用磁力耦合器在正常运行过程中，铜导体层1切割永磁体层2中n个永磁体发射的磁力线促使在铜导体层1表面产生涡流，涡流发热导致铜导体层1成为热量的源头。根据铜导体层1的内径r_in、铜导体层1的外径r_out，由式(1)计算出铜导体层1的径向长度L_r＝165mm。由式(2)进一步计算出铜导体层1的平均半径r_a＝207.5mm。

为了能有效反映铜导体层1径向和圆周向的温度，对测头采用均布的方式布置。首先，沿铜导体层1径向布置径向测头，第一径向测头3、第二径向测头4、第三径向测头5、第四径向测头6及第五径向测头7的布置位置分别为152.5mm、180mm、207.5mm、235mm、262.5mm。再沿铜导体层1的平均半径r_a处布置周向测头，第一周向测头8、第二周向测头9、第三周向测头10及第四周向测头11的布置角度分别为54°、72°、108°、126°，如图3所示。

矿用磁力耦合器运行稳定之后，获得第一径向测头3、第二径向测头4、第三径向测头5、第四径向测头6及第五径向测头7的稳态温度依次为T_r1＝120.9℃、T_r2＝156.7℃、T_r3＝202.4℃、T_r4＝161.3℃、T_r5＝123.5℃；获得第一周向测头8、第二周向测头9、第三周向测头10及第四周向测头11的稳态温度依次为T_c1＝197.8℃、T_c2＝200.5℃、T_c3＝199.7℃、T_c4＝198.1℃。

第二步、计算矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度

为了便于计算矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度，将铜导体层1的圆环区域等效成长方形区域，该等效长方形区域的宽度为L_r，由式(3)计算出该等效长方形区域长度C＝1303.8mm。

针对径向测头稳态温度T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5和周向测头稳态温度T_c1、T_c2、T_r3、T_c3、T_c4分别二次方函数拟合，根据式(4)所述的方程及式(5),径向测头稳态温度T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5的拟合曲线表达式f(t)＝33+3.7t-0.022t²；根据式197.8(4)所述的方程及式(5),周向测头稳态温度T_c1、T_c2、T_r3、T_c3、T_c4的拟合曲线表达式g(t')＝200+0.058t'-0.00022t'²。

对铜导体层1的效成长方形区域进行积分，相当于沿周向和径向两个方向进行积分，由式(7)计算出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度T_all＝130℃。

第三步、计算矿用磁力耦合器全场温度

由式(10)计算出铜导体层1相对于永磁体层2的运动线速度ν＝0.66m/s；铜导体层与空气的散热系数α_c主要取决于空气的流速，由式(9)计算出铜导体层与空气的散热系数α_c＝5.41W/(m·℃)。

永磁体层2与铜导体层1之间存在距离为L_air的空气间隙，矿用磁力耦合器在正常运行过程中，铜导体层1散发的热量经过一定时间穿透空气间隙L_air传热到永磁体层2表面，这个传热过程同时存在热力学一、二、三类边界条件，因此，该传热过程遵循以下表达式(8)，由式(8)计算出永磁体层2表面的表征温度T_mag＝95.6℃。由式(11)得到T_mag＝95.6℃≤180℃，可以保证矿用磁力耦合器的正常运转。

矿用磁力耦合器其他零部件的温度远低于永磁体层2表面的表征温度，不会对生产安全产生影响，不必验算其他零部件。

该方法改善了现阶段有限元方法计算的繁琐性和不可靠性，实现矿用磁力耦合器全场温度快速准确的计算。该方法计算过程简便，计算速度快捷，在煤矿工程中具有重要的实际应用价值。

Claims (1)

1.一种矿用磁力耦合器全场温度计算方法，其特征是，该方法以矿用磁力耦合器的实际工况热源为出发点，根据铜导体层的实际尺寸布置周向测头，获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度；将铜导体层的圆环区域等效成长方形区域，通过二次方函数拟合方程计算出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度；根据热力学边界条件，计算出矿用磁力耦合器全场温度；计算方法的具体步骤如下：

第一步、获得矿用磁力耦合器实际工况热源的局部温度

矿用磁力耦合器在正常运行过程中，铜导体层(1)切割永磁体层(2)中n个永磁体发射的磁力线促使在铜导体层(1)表面产生涡流，涡流发热导致铜导体层(1)成为热量的源头；根据铜导体层(1)的内径r_in、铜导体层(1)的外径r_out，计算出铜导体层(1)的径向长度L_r为：

L_r＝r_out-r_in (1)

再计算出铜导体层(1)的平均半径r_a为：

r_a＝(r_in+r_out)/2 (2)

为了能有效反映铜导体层(1)径向和圆周向的温度，对测头采用均布的方式；沿铜导体层(1)径向布置径向测头，第一径向测头(3)、第二径向测头(4)、第三径向测头(5)、第四径向测头(6)及第五径向测头(7)的布置位置分别为r_in+L_r/6、r_in+L_r/3、r_in+L_r/2、r_in+2L_r/3、r_in+5L_r/6；沿铜导体层(1)的平均半径r_a处布置周向测头，第一周向测头(8)、第二周向测头(9)、第三周向测头(10)及第四周向测头(11)的布置角度分别为90°-360°/n、90°-180°/n、90°+180°/n、90°+360°/n；

矿用磁力耦合器运行稳定之后，获得第一径向测头(3)、第二径向测头(4)、第三径向测头(5)、第四径向测头(6)及第五径向测头(7)的稳态温度依次为T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5；获得第一周向测头(8)、第二周向测头(9)、第三周向测头(10)及第四周向测头(11)的稳态温度依次为T_c1、T_c2、T_c3、T_c4；

第二步、计算矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度

为了便于计算矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度，将铜导体层(1)的圆环区域等效成长方形区域，该等效长方形区域的宽度为L_r，计算出该等效长方形区域长度C为：

C＝(πr_out ²-πr_in ²)/L_r (3)

针对径向测头稳态温度T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5和周向测头稳态温度T_c1、T_c2、T_r3、T_c3、T_c4分别二次方函数拟合，拟合方程为：

式(4)中，x_i、y_i为要拟合点的横坐标、纵坐标，k₀、k₁、k₂为拟合曲线的系数；

根据式(4)所述的方程,径向测头稳态温度T_r1、T_r2、T_r3、T_r4、T_r5的拟合曲线表达式f(t)为：

f(t)＝a₀+a₁t+a₂t² (5)

根据公式(4),周向测头稳态温度T_c1、T_c2、T_r3、T_c3、T_c4的拟合曲线表达式g(t')为：

g(t')＝b₀+b₁t'+b₂t'² (6)

对铜导体层(1)的等效长方形区域进行积分，相当于沿周向和径向两个方向进行积分，计算出矿用磁力耦合器实际工况热源的表征温度T_all为：

第三步、计算矿用磁力耦合器全场温度

永磁体层(2)与铜导体层(1)之间存在距离为L_air的空气间隙，矿用磁力耦合器在正常运行过程中，铜导体层(1)散发的热量经过一定时间穿透空气间隙L_air传热到永磁体层(2)表面，这个传热过程同时存在热力学一、二、三类边界条件，因此，该传热过程遵循以下表达式：

式(8)中，q_c为铜导体层表面的热流密度，λ为空气传热系数，

为温度传热梯度，α_c为铜导体层(1)与空气的散热系数，T_mag为永磁体层(2)的表征温度；

铜导体层与空气的散热系数α_c取决于空气的流速，铜导体层与空气的散热系数α_c的表达式为：

式(9)中，k为空气吹拂效率值，α_air为静态空气散热系数，ν为铜导体层(1)相对于永磁体层(2)的运动线速度；

铜导体层(1)相对于永磁体层(2)的运动线速度ν为：

ν＝πr_aΔS/30 (10)

式(10)中，ΔS为铜导体层(1)相对于永磁体层(2)的转速差；

通过上述式(8)-(10)之间的关系，得到永磁体层(2)表面的表征温度T_mag，为了保证矿用磁力耦合器的正常运转，T_mag必须遵循以下关系表达式：

T_mag≤180℃ (11)

矿用磁力耦合器其他零部件的温度远低于永磁体层(2)表面的表征温度，不会对生产安全产生影响，不必验算其他零部件；因此，计算出矿用磁力耦合器全场温度T_total≤T_mag。

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