CN110427664A - 一种基于磁热耦合的永磁耦合器温度场分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于磁热耦合永磁耦合器温度场分析方法属于永磁传动技术领域，涉及一种永磁耦合器温度场分析方法。该方法基于永磁耦合器内部磁场‑温度场双场作用特点，首先通过建立导体盘安装盘、导体盘、永磁体盘、永磁体及永磁体安装盘的永磁耦合器电磁场模型，分析得到永磁耦合器各部件磁场分布及涡流损耗，再结合热传导理论，将电磁场分析结果作为热源导入温度场分析，根据温度场分析结果调整永磁体材料参数往复迭代计算，最终得到磁场及温度场分析结果。该方法是一种具有工程实际应用价值的方法，方法简单便于操作，计算精度高。

Description

一种基于磁热耦合的永磁耦合器温度场分析方法

技术领域

本发明涉及永磁传动技术领域，涉及一种基于磁热耦合永磁耦合 器温度场分析方法

背景技术

随着工业生产现代化进程的推进，我国能源动力、矿产开采、深 海探测等领域对大功率传动技术需求迫切。永磁耦合器是一种新型功 率传动技术，相比于变频器、液力耦合器等传统传动装置，其具有高 效率、高可靠性、长寿命、强环境适应性、平稳软启动等特点，因此 被广泛应用于石油、化工、煤炭、航天等国家重大工程领域。正确分 析永磁耦合器运行时内部温度场分布情况有利于永磁耦合器温度的 精准控制，对保证永磁耦合器平稳运行和提高其传动性能有重要意义。 永磁耦合器温度分析方法主要有简化公式法、热网络法和有限元分析 法，简化公式法计算方便，但永磁耦合器运行时磁场与温度场间存在 弱耦合关系，简化公式法不能准确描述永磁耦合器全场温度分布状态； 热网络法计算速度相对较快，占用计算机资源较少，但节点温度转化 存在一定误差，无法准确描述永磁耦合器运行状态下温度场分布。

针对永磁耦合器温度场分析计算，中国矿业大学(北京)机电与 信息工程学院的时剑文等人于2017年在《煤矿安全》第48卷第10 期发表了文章《矿用永磁耦合器涡流损耗及温度场分析》，对矿用永 磁耦合器涡流损耗功率进行了理论计算，并通过有限元仿真分析了永 磁耦合器在定运行及过载状态下的温升情况，该耦合方式相对简单快 速，但是没有考虑到温度场对电磁场的影响，且理论计算涡流损耗， 应用局限性大，计算精度较低。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的计算精度低、局限性大等问题，克 服现有技术缺陷，发明了一种基于磁热耦合的永磁耦合器温度场分析 方法。该方法基于永磁耦合器内部磁场-温度场双场作用特点，通过 分析永磁耦合器各部件磁场分布及涡流损耗，将分析结果作为热源导 入温度场分析，根据温度场分析结果调整永磁体材料参数往复迭代计 算，最终得到磁场及温度场分析结果。该方法充分考虑了永磁耦合器 运行时磁场热场的相互作用，提高了温度场分析的准确性，为精准控 制永磁耦合器内部温度保证其平稳运行提供了重要参考。

本发明采用的技术方案是一种基于磁热耦合的永磁耦合器温度 场分析方法，其特征是，该方法，首先利用ANSOFT Maxwell构建导 体盘安装盘、导体盘、永磁体盘、永磁体、永磁体安装盘的永磁耦合 器电磁场分析模型，对模型进行分析得出导体盘等各部件处磁场分布 及导体盘处涡流损耗；基于热传导理论及热力学第一定律，确定仿真 前各系数；将电磁场分析结果作为热源导入ANSYS Workbench进行温 度场分析；根据温度分析结果修改永磁材料B-H曲线后进行循环迭代 分析；利用电磁场模型与热传导模型间的收敛性，当收敛条件满足用 户设定值时结束计算，输出磁场分布结果和温度场分布结果。

分析方法具体步骤如下：

第一步 建立电磁场模型

在Maxwell中建立瞬态电磁场分析，所建立几何模型包括导体盘 安装盘、导体盘、永磁体盘、永磁体及永磁体安装盘。本发明采用导 体盘作旋转运动、永磁体盘固定的方式模拟永磁耦合器运行时产生的 转差以简化计算。导体盘处考虑涡流集肤效应，经分析后输出导体盘 处涡流损耗值。

第二步 仿真前各系数的确定

1)热源的确定

永磁耦合器中导体盘处涡流损耗约占总体涡流损耗的94％，故 取导体盘处生热量作为热源，导体盘处生热率为：

式中p_cu为导体盘处涡流损耗，W；V_cu为导体盘体积，m³

2)导热系数的确定

本发明中所建立模型材料均为各向同性导热材料，所述各结构分 别为：铜导体盘，钕铁硼永磁体，铝制永磁体安装盘及10#钢制永磁 体安装盘及导体盘安装盘。

由于在求解区域内存在多介质，且导体盘与永磁体盘间气隙中热 对流情况较为复杂，故本发明所述方法中将气隙视为空气域并引入等 效导热系数，该系数用以描述导体盘高速旋转状态下气隙处换热能力。

第三步 温度场分析

基于热力学基本定律，物体热量传递方式主要包括热传导、热对 流及热辐射，本发明所涉及永磁耦合器运行时热量传递主要涉及热传 导及热对流。

根据傅里叶定律：

式中q_v为计算所得热流密度，W/m²；λ为热导率，W/(m·k)；为沿热流传递方向的温度梯度。

根据永磁耦合器运行的实际情况，给出如下边界条件：

A.永磁耦合器外部温度已知且恒定不变

B.换热量固定不变

C.忽略各部件间热辐射效应

将上述边界条件应用于稳态热有限元分析模块可得热传导控制 方程为：

T|_Γ＝T₀

基于上述分析，在ANSYS Workbench中建立稳态热分析模块，将 电磁场分析结果导入Workbench，并创建几何数据共享。将根据电磁 场分析得到的导体盘处涡流损耗值计算得出的导体盘生热率q作为 热源施加在导体盘上。在气隙处建立一个空气域，以等效导热系数代 替对流换热简化模型计算。对于所述永磁耦合器模型中其他接触位置， 采用多点约束法以保证热量无损传递。

第四步磁-热双向耦合迭代计算

将上述基于一次顺序耦合计算得到的温度场分布结果导出，根据 永磁耦合器各部件温升情况，调整相应材料磁性能参数，将调整后的 参数代入至电磁场分析中，即得到二次磁场仿真结果；将磁场仿真结 果继续代入至稳态热分析模块，循环迭代。设第N次迭代前后温度变 化率：

式中T₁为第N-1次计算得到的温度值，T₂为第N次计算得到的温 度值，ε为迭代精度。

当满足上述条件时，停止迭代，输出第N次计算得到的温度场分 析结果。

本发明的有益效果是方法充分考虑了永磁耦合器运行中温度场 和磁场的双向作用关系，考虑到温度变化引起的材料磁性能变化，并 在温度场仿真中引入等效热导率以简化计算。在正常工作的转差范围 内，发明了一种基于磁-热耦合的有效计算永磁耦合器温度场分布的 分析方法，并以实际耦合器结构建立了仿真模型，对比已有方法提升 了分析的准确性。本发明提出的分析方法可以准确计算永磁耦合器温 度场分布，对精准控制永磁耦合器温升有重要的指导意义，且具有较 高的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的基于磁-热耦合计算永磁耦合器温度场分析方法 流程图。

图2是本发明实施的永磁耦合器有限元模型图，其中，1为导体 盘，2为永磁体，3为永磁体放置盘，4为永磁体安装盘，5为导体盘 安装盘。

图3是本发明实施的永磁耦合器有限元模型网格划分图

图4是永磁耦合器磁-热双向作用关系图

图5是本发明实施的永磁耦合器导体盘处磁场强度矢量图

图6是本发明实施的永磁耦合器导体盘处温度分布图

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明进行进一步详细阐述。

本实施例选用一台输入转速1500r/min，转速差为200r/min包含5 对永磁体的单导体盘结构永磁耦合器进行磁场及温度场分析。

其中，输入转速1500r/min包含5对永磁体的单导体盘永磁耦合器 基本尺寸为：导体盘厚度6mm，导体盘直径330mm，永磁体充磁厚度 10mm，气隙厚度5mm，导体盘安装盘直径358mm，永磁体安装盘厚度 10mm，永磁体放置盘直径330mm，永磁体放置盘厚度33mm，导体盘安 装盘厚度10mm，永磁体安装盘直径330mm

本实施例耦合器各部件基本材料参数如表1所示:

表1本实施例选用永磁耦合器磁性能参数

如图1所示，本发明提出的基于磁热耦合的永磁耦合器温度场分 析流程图，分析方法的具体步骤如下：

第一步 建立电磁场模型

1).在Maxwell中创建电磁场分析，并设置求解器为瞬态电磁场。

2).根据上述耦合器基本尺寸绘制几何模型，如图2所示，其中。 1为导体盘，2为永磁体，3为永磁体放置盘，4为永磁体安装盘，5 为导体盘安装盘。

3).采用基于网格单元长度自适应的方式对模型各区域进行划分， 如图3所示。其中，导体盘最大网格单元长度设置为20mm，永磁体 最大网格单元长度设置为12mm，为简化计算，其余结构网格划分较 疏浅，其中空气域最大网格单元长度为50mm，永磁体放置盘及永磁 体安装盘最大网格单元长度为45mm，其余各部件及空气域等最大网 格单元长度设置为50mm。

4).根据上述参数创建并赋材料，各部分结构分别为：铜导体盘， 钕铁硼永磁体，铝制永磁体安装盘及10#钢制永磁体安装盘及导体盘 安装盘。

5).设置运动域，并将导体盘转速(即转差)设置为200r/min

6).添加分析步，在确保仿真精度的前提下，考虑缩短计算时间， 设置仿真时间为2.003s，步长为0.003s。

7).经过模型分析计算，磁感应强度矢量分布图，如图4所示， 最终得到导体盘处涡流损耗值约为9000W。

第二步 仿真前各系数的确定

图5所示为永磁耦合器导体盘处的磁-热耦合关系图，导体盘切 割磁感线产生涡流损耗，使导体盘及其他部件温度升高，而另一方面 各个部件磁性能参数受温度影响将发生改变，因此基于上述耦合关系， 将导体盘处的涡流损耗值作为热源进行后续分析，具体步骤如下：

1)热源的确定

将得到的导体盘处涡流损耗值代入式(1)，得到铜盘的生热率：

2)导热系数及散热系数的确定

假设本发明中所建立模型材料均为各向同性导热材料，所述各结 构分别为：铜导体盘，钕铁硼永磁体，铝制永磁体安装盘及10#钢制 永磁体安装盘及导体盘安装盘。

由于在求解区域内存在多介质，且导体盘与永磁体盘间气隙中热 对流情况较为复杂，故本发明所述方法中将气隙视为空气域并引入等 效导热系数，该系数用以描述导体盘高速旋转状态下气隙处换热能力。

经查阅可得各材料导热系数，其中永磁体为9W/m/℃，导体盘为 401W/m/℃，永磁体放置盘为40W/m/℃，永磁体安装盘及导体盘安 装盘为39W/m/℃，气隙等效为0.0478W/m/℃

永磁体外部相对于空气为自然冷却，即自然对流换热状态，空气 流动状态一般为层流，其中永磁耦合器外侧温度约为35℃，自然风速 约为0.1m/s，带入式(2)可得其换热系数：

永磁体在高速运行过程中，导体盘及永磁体盘的高速旋转会带动 内部空气对流，增加永磁耦合器内部的对流换热，其中气隙处相对速 度为0.3m/s，带入式(3)可得导体盘气隙处散热系数：

第三步 温度场分析

1).在workbench中建立稳态热分析模块并将Maxwell磁场仿真 结果导入workbench中并创建关联。

2).网格划分，采用自适应网格划分，在保证计算精度的前提下， 将网格划分设置为：导体盘处节点2311个，网格单元数300个；永 磁体处节点400个网格单元数60个，永磁体安装盘及导体盘安装盘 节点750个，网格单元数90个。

3).设定材料及导热、散热系数，将上述导热系数、散热系数赋 予对应部件,所述各结构分别为：铜导体盘，钕铁硼永磁体，铝制永 磁体安装盘及10#钢制永磁体安装盘及导体盘安装盘。

4).模型计算，根据式(4)

其中λ分别设置为为上述零件的导热系数，最终得到为沿热 流传递方向的温度梯度，经分析本实施例永磁耦合器导体盘温度分布 云图如图6所示，永磁耦合器导体盘温度沿中心向外部扩散，导体盘 处最高温度为89.6℃。

第四步 磁-热双向耦合迭代计算

将上述基于一次顺序耦合计算得到的温度场分布结果导出，根据 耦合器各部件温升情况，调整相应材料磁性能参数，将调整后的参数 代入至电磁场分析中，即得到二次磁场仿真结果，得到导体盘处涡流 损耗为8965W；将磁场仿真结果继续代入至稳态热分析模块，得到温 度场分布云图，其中导体盘处最高温度约为89.1℃。取迭代精度为 0.5％，将计算结果带入式(5)：

调整相应参数，经电磁场分析得到涡流损耗值约为8788W，稳态 热分析得到导体盘处最高温度为88.7℃

综上所述，经过2次迭代后，第三次分析结果满足精度要求。

本发明充分考虑了永磁耦合器运行中温度场和磁场的双向作用 关系，考虑到温度变化引起的材料磁性能变化，并在温度场仿真中引 入等效热导率以简化计算。本发明提出的分析方法可以准确计算永磁 耦合器温度场分布，对精准控制永磁耦合器温升有重要的指导意义， 且具有较高的工程应用价值。

Claims (1)

1.一种基于磁热耦合的永磁耦合器温度场分析方法，其特征是，该方法，首先利用ANSOFT Maxwell构建包括导体盘安装盘、导体盘、永磁体盘、永磁体、永磁体安装盘在内的永磁耦合器电磁场分析模型，对模型进行分析得出导体盘等各部件处磁场分布及导体盘处涡流损耗；基于热传导理论及热力学第一定律，确定仿真前各系数；将电磁场分析结果作为热源导入ANSYS Workbench进行温度场分析；根据温度分析结果修改永磁材料B-H曲线后进行循环迭代分析；利用电磁场模型与热传导模型间的收敛性，当收敛条件满足用户设定值时结束计算，输出磁场分布结果和温度场分布结果；分析方法具体步骤如下：

第一步建立电磁场模型

在Maxwell中建立瞬态电磁场分析，建立导体盘安装盘、导体盘、永磁体盘、永磁体及永磁体安装盘的几何模型；本发明采用导体盘作旋转运动、永磁体盘固定的方式模拟永磁耦合器运行时产生的转差以简化计算；导体盘处考虑涡流集肤效应，经分析后输出导体盘处涡流损耗值；

第二步仿真前各系数的确定

1)热源的确定

永磁耦合器中导体盘处涡流损耗约占总体涡流损耗的94％，故取导体盘处生热量作为热源，导体盘处生热率为：

式中p_cu为导体盘处涡流损耗，W；V_cu为导体盘体积，m³

2)导热系数的确定

本发明中所建立模型材料均为各向同性导热材料，所述各结构分别为：铜导体盘，钕铁硼永磁体，铝制永磁体安装盘及10#钢制永磁体安装盘及导体盘安装盘；

由于在求解区域内存在多介质，且导体盘与永磁体盘间气隙中热对流情况较为复杂，故本发明所述方法中将气隙视为空气域并引入等效导热系数，该系数用以描述导体盘高速旋转状态下气隙处换热能力；

第三步温度场分析

基于热力学基本定律，物体热量传递方式主要包括热传导、热对流及热辐射，本发明所涉及永磁耦合器运行时热量传递主要涉及热传导及热对流；

根据傅里叶定律：

式中q_v为计算所得热流密度，W/m²；λ为热导率，W/(m·k)；为沿热流传递方向的温度梯度；

根据永磁耦合器运行的实际情况，给出如下边界条件：

A.永磁耦合器外部温度已知且恒定不变

B.换热量固定不变

C.忽略各部件间热辐射效应

将上述边界条件应用于稳态热有限元分析模块可得热传导控制方程为：

T|_Γ＝T₀

基于上述分析，在ANSYS Workbench中建立稳态热分析模块，将电磁场分析结果导入Workbench，并创建几何数据共享；将根据电磁场分析得到的导体盘处涡流损耗值计算得出的导体盘生热率q作为热源施加在导体盘上；在气隙处建立一个空气域，以等效导热系数代替对流换热简化模型计算；对于所述永磁耦合器模型中其他接触位置，采用多点约束法以保证热量无损传递；

第四步磁-热双向耦合迭代计算

将上述基于一次顺序耦合计算得到的温度场分布结果导出，根据永磁耦合器各部件温升情况，调整相应材料磁性能参数，将调整后的参数代入至电磁场分析中，即得到二次磁场仿真结果；将磁场仿真结果继续代入至稳态热分析模块，循环迭代；设第N次迭代前后温度变化率：

式中T₁为第N-1次计算得到的温度值，T₂为第N次计算得到的温度值，ε为迭代精度；

当满足上述条件时，停止迭代，输出第N次计算得到的温度场分析结果。