永磁調(diào)速器的冷卻技術(shù)研究

發(fā)布時間：2020-01-25 05:21

【摘要】：永磁調(diào)速器因其結(jié)構(gòu)簡單、高效節(jié)能、綠色環(huán)保、有效隔離震動等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于泵、離心風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的調(diào)速傳動。但是在運(yùn)行時由于渦流損耗和轉(zhuǎn)差損失會以熱量的形式散失造成較高的溫升,使得永磁體的磁性降低乃至退磁,進(jìn)而影響永磁調(diào)速器的性能。目前針對永磁調(diào)速器的研究主要集中在對其電磁場特性、節(jié)能效果分析等方面,對其溫度場分布以及冷卻技術(shù)的研究還鮮有見到。本文應(yīng)用計算流體力學(xué)方法,針對結(jié)構(gòu)因素對永磁調(diào)速器內(nèi)空氣流場及溫度場的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。運(yùn)用ANSYS Workbench中的Design Modeler模塊建立永磁調(diào)速器的模型,并借助ANSYS Fluent軟件對其內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬。對原模型的模擬結(jié)果表明:在原模型內(nèi)存在一定范圍的流體滯流死區(qū),由于空氣粘性較小,只有靠近轉(zhuǎn)子壁面的空氣隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn);導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子包圍的中心區(qū)域內(nèi)的空氣只在該區(qū)域內(nèi)部做低速旋轉(zhuǎn)而不能有效流出進(jìn)行對流換熱;進(jìn)出口總流量只有0.57kg/s,此時主要以空氣的導(dǎo)熱作用為主,永磁調(diào)速器內(nèi)永磁體的最高溫度高達(dá)120.2℃。為了強(qiáng)化傳熱,提高永磁調(diào)速器的冷卻效果,在兩轉(zhuǎn)子側(cè)面端蓋上添加葉片,一方面帶動空氣流動,以增強(qiáng)對流傳熱,另一方面可以增大傳熱面積,降低傳熱熱阻,達(dá)到強(qiáng)化冷卻的目的。為了研究葉片數(shù)量和結(jié)構(gòu)對流場和溫度場的影響,分別構(gòu)建了13個不同葉片數(shù)量和11個不同葉片角度的永磁調(diào)速器物理模型,進(jìn)行計算流體力學(xué)數(shù)值模擬,并與原結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比研究,結(jié)果表明:在兩側(cè)各添加10個與端蓋夾角為60°的葉片時,風(fēng)罩內(nèi)的空氣流速提高,湍動程度加劇,進(jìn)出永磁調(diào)速器的流量增加到1.28kg/s,最高溫升降至107.6℃,比原模型降低了12.6℃,具有一定冷卻效果;但是兩轉(zhuǎn)子包圍中心區(qū)域的高溫空氣仍不能與外圍低溫空氣有效對流,存在一定流體滯流死區(qū);為了增強(qiáng)中心區(qū)域高溫空氣與外圍低溫空氣有效對流,在葉片之間開通窗口,提供一個空氣進(jìn)出中心區(qū)域的通道,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出優(yōu)化后進(jìn)出口流量提高到2.37kg/s,永磁體溫度降低至73.3℃,比之前的結(jié)構(gòu)降低了36.3℃,冷卻效果顯著。出于同樣的目的,在永磁調(diào)速器外圓周方向增加翅片冷卻結(jié)構(gòu),以增大傳熱面積,降低熱阻強(qiáng)化冷卻效果。分別建立了6個具有不同翅片高度的永磁調(diào)速器模型并對其進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:添加高度為20mm的散熱翅片后,風(fēng)罩流道內(nèi)的氣體流速明顯提高,湍動程度增加,流體滯流死區(qū)明顯減少;進(jìn)出口總流量提高到2.07kg/s,但是由于兩轉(zhuǎn)子之間的氣隙很小,中心區(qū)域的高溫空氣幾乎不能流出,翅片只是提高了永磁調(diào)速器的散熱面積,增強(qiáng)了外圍區(qū)域的強(qiáng)制對流效果,永磁體的溫度比原模型下降了19.52℃,冷卻效果有限;通過對兩轉(zhuǎn)子外圓周面上冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔優(yōu)化,可以提供一個高溫氣體流出的通道,模擬結(jié)果顯示:開孔后流體滯流死區(qū)范圍降至極低,進(jìn)出口流量達(dá)到2.26kg/s,中心區(qū)域的高溫空氣可以通過開孔流出進(jìn)行對流換熱,永磁體的溫度降低至72.62℃,具有良好的冷卻效果。為了確定永磁調(diào)速器的整體最優(yōu)冷卻結(jié)構(gòu)以達(dá)到最佳降溫效果,將側(cè)面優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)和外圓周優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)融合在一起進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:該冷卻結(jié)構(gòu)使得整個永磁調(diào)速器的進(jìn)出口流量提高到2.92kg/s,遠(yuǎn)大于原模型的0.57kg/s,比單一方向的冷卻結(jié)構(gòu)也均有一定提升;永磁體的最高溫度降低至56.18℃,遠(yuǎn)低于原模型的120.2℃,比單一方向冷卻結(jié)構(gòu)也具有明顯的下降。本文用數(shù)值模擬的方法研究永磁調(diào)速器內(nèi)流場及溫度場的分布狀況,得到永磁體的溫升最高點(diǎn),便于通過改進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)的方法強(qiáng)化其冷卻效果,有效降低永磁體的最高溫升,確保永磁調(diào)速器能夠在安全的溫度范圍工作,為更大功率風(fēng)冷型永磁調(diào)速器的開發(fā)提供理論依據(jù),具有重要意義。
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