程剛，郭永存 王爽，陳健康

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽理工大學(xué))，安徽淮南23200) (安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

磁力耦合器散熱盤傳熱特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)

程剛，郭永存 王爽，陳健康

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽理工大學(xué))，安徽淮南23200) (安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

以一臺(tái)45kW雙盤異步空冷式永磁渦流傳動(dòng)調(diào)速器為研究對(duì)象，采用仿真模擬的方法對(duì)該磁力耦合調(diào)速器散熱盤熱學(xué)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析。結(jié)果表明，在設(shè)定條件下，銅轉(zhuǎn)子模型溫升梯度由銅轉(zhuǎn)子中部沿徑向外擴(kuò)散，最高溫度為533℃。選取散熱結(jié)構(gòu)中基板直徑、厚度、翅片數(shù)量、高度與厚度為影響因素進(jìn)行敏感度分析，在設(shè)定參數(shù)值內(nèi)，基板厚度對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較低，對(duì)模型總體質(zhì)量影響敏感度較高；基板直徑、翅片數(shù)量、翅片高度對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較大，對(duì)模型總體質(zhì)量影響敏感度較低；翅片厚度對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度幾乎無(wú)影響，但對(duì)模型總體質(zhì)量影響敏感度較高?；诿舾卸确治鼋Y(jié)果，合理選取散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)為基板直徑?380mm、翅片數(shù)量28片和翅片高度24mm，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后銅轉(zhuǎn)子模型最高溫度為48℃，相比之前下降103%，優(yōu)化后模型質(zhì)量為166kg，相比之前增長(zhǎng)121%。

磁力；耦合器；散熱；傳熱；優(yōu)化

磁力耦合傳動(dòng)是目前興起的一門傳動(dòng)技術(shù)，其發(fā)展歷時(shí)并不久遠(yuǎn)，但發(fā)展迅速，近幾年研究態(tài)勢(shì)尤為迅猛。20世紀(jì)30年代，磁力傳動(dòng)技術(shù)就被提出。1946年，英國(guó)HMD無(wú)泄漏磁力泵公司將世界上第1臺(tái)磁力傳動(dòng)泵推向市場(chǎng)并得到工業(yè)應(yīng)用[1]；2008年，美國(guó)Magna Drive公司將永磁耦合傳動(dòng)技術(shù)引入中國(guó)；2016年，我國(guó)又將“永磁渦流柔性傳動(dòng)節(jié)能技術(shù)”列入《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》。磁力耦合傳動(dòng)裝置是指在外力的作用下，利用傳動(dòng)部件中主、從動(dòng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的耦合力來(lái)實(shí)現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩?zé)o接觸傳遞的一種具備超矩特性與機(jī)械傳動(dòng)組合的新型傳動(dòng)裝置，磁力耦合傳動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、體積較小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能減排、使用壽命長(zhǎng)和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[1，2]，工業(yè)應(yīng)用前景極為廣闊。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁力耦合傳動(dòng)機(jī)理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出了眾多貢獻(xiàn)[3～8]，隨著理論的成熟與實(shí)踐應(yīng)用的普及，當(dāng)前以磁力傳動(dòng)基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也被越來(lái)越多的企業(yè)用戶所接受，應(yīng)用范圍也逐步加大。

然而，在磁力耦合傳動(dòng)技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，在理論與實(shí)踐中存在的一些技術(shù)性問(wèn)題仍未得到恰當(dāng)?shù)慕鉀Q，如散熱問(wèn)題[9，10]。磁力耦合傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，磁感應(yīng)渦流損耗會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這會(huì)使系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，溫升情況會(huì)影響導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率與永磁材料磁性工作特性等，從而影響磁力耦合傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性[11]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的故障。隨著磁力耦合傳動(dòng)裝置傳遞功率的增大，溫升情況將更為嚴(yán)重，散熱問(wèn)題更加突出。以永磁渦流耦合調(diào)速器產(chǎn)品為例，當(dāng)前主要采用空氣和水冷卻這2類方式來(lái)降低系統(tǒng)的溫升影響，單機(jī)功率低于450kW一般以空氣冷卻方式為主，單機(jī)功率高于450kW一般以水冷卻方式為主。水冷卻方式將會(huì)額外增加設(shè)備成本，并且使整機(jī)結(jié)構(gòu)體積增大，因而，盡可能改善以空氣冷卻方式的磁力耦合傳動(dòng)裝置散熱性能，最大程度地降低磁力耦合傳動(dòng)系統(tǒng)中零部件溫度、合理設(shè)計(jì)其散熱結(jié)構(gòu)將具有重要的研究意義與工程應(yīng)用價(jià)值。下面，筆者以一臺(tái)45kW雙盤異步式永磁渦流傳動(dòng)調(diào)速器(型號(hào)RDCOT310F，空氣冷卻式)為例，選取散熱結(jié)構(gòu)中基板直徑、厚度、翅片數(shù)量、高度與厚度為影響因素，采用仿真模擬的方法對(duì)該磁力耦合調(diào)速器散熱盤的熱學(xué)特性進(jìn)行了計(jì)算與分析，以期獲得其因素影響特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)參數(shù)，為大功率的空氣冷卻式磁力耦合傳動(dòng)裝置散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 散熱盤物理模型的構(gòu)建

雙盤異步式永磁渦流傳動(dòng)調(diào)速器中永磁轉(zhuǎn)子(包括永磁體、鋁制槽盤與端蓋)與銅轉(zhuǎn)子(包括銅盤、鐵磁盤與散熱盤)之間在工作時(shí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，永磁轉(zhuǎn)子上所嵌入的永磁體切割銅盤產(chǎn)生渦流感應(yīng)，進(jìn)而通過(guò)磁感應(yīng)耦合作用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，永磁轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子之間存有氣隙，通過(guò)氣隙可以調(diào)節(jié)負(fù)載輸出端的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。由于運(yùn)行時(shí)存在渦流感應(yīng)，因而銅轉(zhuǎn)子上將會(huì)產(chǎn)生渦流熱能，并以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3類方式向外散熱，銅轉(zhuǎn)子上安裝的散熱盤(基板、翅片)將起到重要的散熱作用，因而提高散熱盤的散熱性能至關(guān)重要。為方便研究，忽略類似于倒角、圓角、螺釘?shù)燃?xì)節(jié)，對(duì)散熱盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，散熱盤為一零件體，研究時(shí)可分為基板與翅片2部分。以單側(cè)盤為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化銅轉(zhuǎn)子與散熱盤物理模型如圖1(b)和(c)所示，銅轉(zhuǎn)子相關(guān)零件的材料熱物理屬性如表1所示。原始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：基板厚度a=5mm，基板直徑d=340mm，翅片數(shù)量m=20片，翅片高度h=15mm，翅片厚度t=3mm，單側(cè)銅轉(zhuǎn)子模型初始質(zhì)量M=14.8kg。

注：1-鐵磁盤 ；2-銅盤；3-永磁轉(zhuǎn)子；4-基板；5-翅片。圖1 結(jié)構(gòu)與物理模型

零件名稱材料名稱熱傳導(dǎo)系數(shù)/(W·(m·℃)-1)比熱容/(J·(kg·℃)-1)密度/(kg·m-3)銅 盤銅3903908900鐵磁盤Q235434407850散熱盤Q235434407850

2 散熱盤熱學(xué)仿真計(jì)算與分析

2.1 熱學(xué)分析與假設(shè)

在熱學(xué)分析中，按照傳熱機(jī)理的不同，熱量的傳遞方式分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3類。為使仿真計(jì)算更加貼近散熱盤的傳熱工況，筆者以包含散熱盤在內(nèi)的單側(cè)銅轉(zhuǎn)子為整體研究對(duì)象，銅轉(zhuǎn)子模型包含銅盤、鐵磁盤和散熱盤(含基板與翅片)3部分。銅轉(zhuǎn)子的熱量傳遞與散發(fā)過(guò)程為：銅盤為熱源，它與鐵磁盤相互接觸，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱；鐵磁盤與散熱盤相互接觸，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱。銅盤自身和鐵磁盤及散熱盤的所有外表面主要以對(duì)流與熱輻射方式向環(huán)境散發(fā)熱量。為簡(jiǎn)化求解模型，作以下假設(shè)：

1)銅盤上不考慮集膚效應(yīng)，假定銅盤上的渦流損耗在銅盤內(nèi)部分布均勻；

2)銅盤、鐵磁盤和散熱盤的材料為各向同性導(dǎo)熱介質(zhì)；

3)認(rèn)為銅盤與鐵磁盤、散熱盤的連接為緊密接觸，且不考慮接觸表面所產(chǎn)生的熱阻效應(yīng)；

4)根據(jù)實(shí)際工況，永磁渦流耦合調(diào)速器工作環(huán)境中有軸流通風(fēng)機(jī)強(qiáng)化散熱，銅轉(zhuǎn)子對(duì)流散熱模式為強(qiáng)制熱對(duì)流模式，其環(huán)境流體為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的干燥空氣；

5)忽略銅盤、鐵磁盤和散熱盤與空氣之間的導(dǎo)熱作用。

2.2 模型建立與計(jì)算

根據(jù)銅轉(zhuǎn)子的運(yùn)行環(huán)境與熱學(xué)傳遞的特性，建立溫度場(chǎng)求解的物理模型，對(duì)銅轉(zhuǎn)子進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱學(xué)分析。在熱穩(wěn)態(tài)中，系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度僅與位置有關(guān)，不隨時(shí)間變化而變化，熱穩(wěn)態(tài)分析的能量平衡方程為：

[K]{T}={Q}

式中，K為銅轉(zhuǎn)子各部分熱傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系統(tǒng)、對(duì)流熱系數(shù)、輻射率和形狀系數(shù)；T為銅轉(zhuǎn)子各部分節(jié)點(diǎn)溫度陣列；Q為銅轉(zhuǎn)子各部分節(jié)點(diǎn)熱流量陣列。

給定求解域的邊界條件及相關(guān)參數(shù)如下：

1)求解域?yàn)榘ㄣ~盤、鐵磁盤和散熱盤所在的三維模型區(qū)域；

2)在銅盤上施加體積熱載荷，熱載荷量為銅轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差所引起的熱功率，按一定轉(zhuǎn)差運(yùn)行情況，計(jì)算得單側(cè)銅盤功率為500W；

3)根據(jù)通風(fēng)機(jī)的安裝與調(diào)節(jié)情況，設(shè)定散熱盤、散熱盤緊貼的鐵磁盤端面均與空氣之間的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)為30W/(m2·℃)；銅盤、其余鐵磁盤面均與空氣之間的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)為15W/(m2·℃)；環(huán)境溫度設(shè)定為20℃；銅材料發(fā)射率為0.5，Q235發(fā)射率為0.6。

根據(jù)上述所建立的假設(shè)和邊界條件，針對(duì)該永磁渦流調(diào)速器銅轉(zhuǎn)子零部件的原始結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于Solidworks Simulation有限元分析環(huán)境對(duì)銅轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行熱學(xué)仿真計(jì)算。銅轉(zhuǎn)子模型的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，銅盤與鐵磁盤、散熱盤上的穩(wěn)態(tài)溫升分布情況如圖3所示。熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，所求解的區(qū)域銅轉(zhuǎn)子模型溫升分布由中部沿徑向外擴(kuò)散；銅轉(zhuǎn)子的中銅盤上的最高溫度為53.3℃，最低溫度為51.2℃；鐵磁盤上的最高溫度為53℃，最低溫度為48.6℃；散熱盤上的最高溫度處在基板上，為52.1℃，最低溫度處在翅片上，為47.6℃。

圖2 模型有限元網(wǎng)格模型 圖3 模型溫升分布仿真結(jié)果

3 散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

基于對(duì)上述散熱盤的仿真計(jì)算結(jié)果，為盡可能地改善散熱盤散熱情況，進(jìn)一步認(rèn)知銅轉(zhuǎn)子上的最高溫度與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的影響關(guān)系，首先依次選取散熱盤的基板厚度a、直徑d、翅片數(shù)量m、高度h和厚度t為因素變量，采用仿真模擬方法對(duì)該磁力耦合調(diào)速器散熱盤的熱學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算與分析，研究因素變量對(duì)散熱盤溫升和質(zhì)量變化的影響程度；其次，以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，篩選散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)變量并合理改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)值，從而獲得最佳的散熱盤散熱效果。

3.1 基板厚度a的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變基板的厚度，仿真計(jì)算a∈[3mm,17mm],Δa=2mm模型的溫升情況,不同基板厚度下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖4所示。

從圖4可以看出，散熱盤基板厚度從3～17mm逐漸增大時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度趨近下降狀態(tài)，但下降幅度甚低，僅從53.4℃下降到52.3℃。原因在于，基板厚度的增加導(dǎo)致基板圓柱面的散熱面積和熱輻射面積增大，另一方面，基板厚度的增加會(huì)增大基板軸向的導(dǎo)熱長(zhǎng)度，這2個(gè)方面因素綜合決定了銅轉(zhuǎn)子的最高溫度的升降趨勢(shì)；同時(shí)，由于基板厚度的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量趨進(jìn)直線上升狀態(tài)，增加幅度較大，從初始計(jì)算模型的13.7kg增大至21.5kg。因而，在該設(shè)定條件下，基板厚度對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較低，以改變基板厚度來(lái)降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式不合適，且會(huì)增加模型的整體重量。

3.2 基板直徑d的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變基板的直徑，仿真計(jì)算d∈[340mm,410mm],Δd=10mm模型的溫升情況，不同基板直徑下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖5所示。

從圖5可以看出，基板直徑在340～410mm逐漸增大時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度呈下降狀態(tài)，下降幅度較高，從53.3℃下降到49.9℃。原因在于，基板直徑的增加，基板的散熱面積與熱輻射面積增大，基板導(dǎo)熱長(zhǎng)度卻無(wú)變化，因而溫度具備下降條件；同時(shí)，由于基板直徑的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量趨進(jìn)直線上升狀態(tài)，從初始計(jì)算模型的14.8kg增大至16.5kg，整體增長(zhǎng)幅度不大。因而，在該設(shè)定條件下，基板直徑對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度有一定影響敏感度，以增加基板直徑來(lái)降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式可行，且模型的整體重量增加較低。

圖4 基板厚度與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系 圖5 基板直徑與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系

3.3 翅片數(shù)目m的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變散熱盤上的翅片的數(shù)目，仿真計(jì)算m∈[4,32],Δm=4模型的溫升情況，不同翅片數(shù)目下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖6所示。

從圖6中可以看出，翅片數(shù)量在4～32片逐漸增大時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度呈下降狀態(tài)，從從56.7℃下降到51.2℃，整體溫降比較顯著。原因在于，翅片數(shù)量的增加，模型的散熱面積與熱輻射面積增大的效應(yīng)比翅片導(dǎo)熱長(zhǎng)度增大的效應(yīng)要強(qiáng)；同時(shí)，由于翅片數(shù)量的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量成直線增長(zhǎng)狀態(tài)，但整體增幅較小，僅從初始計(jì)算模型的14.4kg增大至15.1kg。因而，在該設(shè)定條件下，翅片數(shù)量變化對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較大，以改變翅片數(shù)量來(lái)降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式可行，且模型的整體重量增加較低，但由于所研究的散熱盤上的翅片與基板成整體結(jié)構(gòu)，因而在考慮改變翅片數(shù)量來(lái)降溫的同時(shí)也需要兼顧加工費(fèi)用。

3.4 翅片高度h的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變翅片高度，仿真計(jì)算h∈[6mm,27mm],Δh=3mm模型的溫升情況，不同翅片高度下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖7所示。

從圖7可以看出，翅片高度在6～27mm逐漸增大時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度呈下降狀態(tài)，從55.6℃下降到51℃，整體溫降比較顯著。原因在于，翅片高度的增加，模型的散熱面積與熱輻射面積增大的效應(yīng)比翅片導(dǎo)熱長(zhǎng)度增大的效應(yīng)要強(qiáng)；同時(shí)，由于翅片數(shù)量的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量成直線增長(zhǎng)狀態(tài)，但整體增幅較小，僅從初始計(jì)算模型的14.4kg增大至15.5kg；整體增長(zhǎng)幅度不大。因而，在該設(shè)定條件下，翅片高度變化對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度有一定影響敏感度，以增加翅片高度來(lái)降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式可行，且模型的整體重量增加較低。

圖6 翅片數(shù)量與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系 圖7 翅片高度與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系

3.5 翅片厚度t的影響

保持散熱盤的其他結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不變，僅改變翅片厚度，仿真計(jì)算t∈[3mm,17mm],Δt=2mm時(shí)模型的溫升情況，不同翅片厚度下所求模型的最高溫度Tmax與總質(zhì)量M變化如圖8所示。

圖8 翅片厚度與模型最高溫度及總質(zhì)量的關(guān)系

從圖8可以看出，翅片厚度在3～17mm逐漸增大時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的最高溫度處于穩(wěn)定不變狀態(tài)，基本恒定在55.6℃。原因在于翅片厚度的增加，翅片端面的散熱面積和熱輻射面積增大的效應(yīng)與翅片厚度增加帶來(lái)對(duì)流負(fù)影響的效應(yīng)幾近相同，因而總體溫度情況處于持平；同時(shí)，由于翅片厚度的增加，銅轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量趨于直線增長(zhǎng)狀態(tài)，整體質(zhì)量有一定增幅，從初始模型的14.8kg增大至18kg。因而，在設(shè)定條件下，翅片厚度變化對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度無(wú)影響，以增加翅片厚度來(lái)降低銅轉(zhuǎn)子最高溫度的方式不可行，且會(huì)增加模型的整體重量。

4 散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)及分析

從上述對(duì)散熱盤的基板厚度、直徑、翅片數(shù)量、高度和厚度對(duì)溫升的影響結(jié)果可以看出，為降低銅轉(zhuǎn)子上的溫升并最大程度地降低其重量的增加量，可以選擇基板直徑、翅片數(shù)量與翅片高度3個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，通過(guò)上述的研究分析可知，基板直徑、翅片數(shù)量與翅片高度3個(gè)參數(shù)在研究范圍內(nèi)均與溫升成增函數(shù)關(guān)系，且增加質(zhì)量的程度較低，因而根據(jù)實(shí)際加工情況，合適地選擇3類參數(shù)的最大數(shù)值。

考慮基板與銅盤的配合情況，取基板直徑與銅盤直徑相等，取?380mm，并開(kāi)設(shè)與銅盤上相同的通孔，保證連接板的安裝；翅片與基板為一整體結(jié)構(gòu)，翅片為銑加工工藝，考慮翅片數(shù)量對(duì)加工工藝與加工費(fèi)用的影響，適當(dāng)選取翅片數(shù)量為28片、翅片高度選取為24mm。針對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行模型修改并進(jìn)行仿真計(jì)算，可得銅盤與鐵磁盤、散熱盤上的穩(wěn)態(tài)溫升分布情況，如圖9所示。改進(jìn)后銅轉(zhuǎn)子模型的最高溫度為48℃，相比改進(jìn)前模型最高溫度53.3℃下降10.3%；改進(jìn)后模型質(zhì)量為16.6kg，相比改進(jìn)前模型質(zhì)量14.8kg增長(zhǎng)12.1%；銅轉(zhuǎn)子的中銅盤上的最高溫度為48℃，最低溫度為45.6℃；鐵磁盤上的最高溫度為47.7℃，最低溫度為42.7℃；散熱盤上的最高溫度處在基板上，為46.8℃，最低溫度處在翅片上，為40.5℃。可見(jiàn)，合理改進(jìn)散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效改善銅轉(zhuǎn)子模型溫升情況。

5 結(jié)論

圖9 改進(jìn)后模型溫升分布仿真結(jié)果

針對(duì)一臺(tái)45kW雙盤異步空冷式永磁渦流傳動(dòng)調(diào)速器中銅轉(zhuǎn)子的熱學(xué)特性進(jìn)行了研究，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法獲得了銅轉(zhuǎn)子的散熱盤基板厚度、直徑、翅片數(shù)量、高度和厚度對(duì)模型溫升結(jié)果的影響，基于計(jì)算結(jié)果，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了合理改進(jìn)，提高了模型的散熱特性。

1)在所建立的假設(shè)和邊界條件下，銅轉(zhuǎn)子模型溫升梯度由銅轉(zhuǎn)子模型的中部沿徑向外擴(kuò)散；銅轉(zhuǎn)子中銅盤上的最高溫度為53.3℃，鐵磁盤上的最高溫度為53℃，散熱盤上的最高溫度處在基板上，為52.1℃。

2)在參數(shù)值設(shè)定范圍內(nèi)，基板厚度對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較低，對(duì)模型總體質(zhì)量影響敏感度較高；基板直徑、翅片數(shù)量、翅片高度對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度影響敏感度較大，對(duì)模型總體質(zhì)量影響敏感度較低；翅片厚度對(duì)銅轉(zhuǎn)子最高溫度幾乎無(wú)影響，對(duì)模型總體質(zhì)量影響敏感度較高。

3)基于敏感度分析結(jié)果與實(shí)際情況，篩選散熱盤結(jié)構(gòu)參數(shù)變量并合理改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)值：基板直徑?380mm、翅片數(shù)量28片和翅片高度24mm。通過(guò)仿真計(jì)算可知，改進(jìn)后銅轉(zhuǎn)子模型溫升情況得到明顯改善，最高溫度為48℃，相比改進(jìn)前模型下降10.3%；改進(jìn)后模型質(zhì)量為16.6kg，相比改進(jìn)前模型增長(zhǎng)12.1%。

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[編輯] 洪云飛

2017-01-26

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20133415110003)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2017A083)。

程剛(1986-)，男，碩士，講師，現(xiàn)主要從事磁力機(jī)械設(shè)計(jì)與光機(jī)電一體化方面的研究工作，gang740@126.com。

TH133

A

1673?1409(2017)09?0022?06

[引著格式]程剛，郭永存,王爽，等.磁力耦合器散熱盤傳熱特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(9)：22～27.