許焰 譚建平 王軍鋒 劉云龍 祝忠彥

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

磁力傳動(dòng)屬于耦合傳動(dòng)，是以替代機(jī)械式傳動(dòng)為目的，應(yīng)用永磁材料或電磁機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的磁力作用，實(shí)現(xiàn)力或力矩非接觸式傳遞的一種新技術(shù)［1-2］，因其可以實(shí)現(xiàn)非接觸的動(dòng)力傳遞，近年來被廣泛應(yīng)用于血泵驅(qū)動(dòng)研究領(lǐng)域［3-5］.譚建平等［6］提出了一種大間隙磁力傳動(dòng)方法，并將其應(yīng)用于可植入式永磁軸流式血泵的外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明，在耦合間隙40 mm 的情況下，可輸出0.7 N·mm 的扭矩，驅(qū)動(dòng)軸流式血泵達(dá)到5 000 r/min，證明了這種驅(qū)動(dòng)方式的可行性，并為軸流式血泵的臨床應(yīng)用提供了一個(gè)新的思路［7-11］.

然而，電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸，必然伴隨著熱量的產(chǎn)生和傳遞，倘若不能使系統(tǒng)內(nèi)部熱量及時(shí)散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致工作部件持續(xù)溫升，進(jìn)而影響材料強(qiáng)度及系統(tǒng)性能，因此，為保證系統(tǒng)的可靠工作，必須對(duì)系統(tǒng)溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算.Yuan 等［12］對(duì)微型發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了分析;Higuchi 等［13］分析了圓柱導(dǎo)體中瞬態(tài)渦流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化情況;王艷武等［14］研究了電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng);丁樹業(yè)等［15］分析計(jì)算了大型發(fā)電機(jī)定子的三維溫度場(chǎng);李志強(qiáng)等［16］研究了熱沖擊載荷下鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)及變形情況.

文中以軸流式血泵的大間隙磁力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)電磁體的溫度分布以及熱量損失、熱流密度、熱梯度等熱物理參數(shù)進(jìn)行分析，通過有限元仿真計(jì)算，得到了系統(tǒng)溫度場(chǎng)的分布和變化規(guī)律，并對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)傳熱機(jī)制分析

對(duì)于大間隙磁力傳動(dòng)系統(tǒng)，電磁體內(nèi)部的熱源主要來自線圈的銅損和鐵心的鐵損，通過熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種方式散發(fā).圖1 所示為“雙T”型電磁發(fā)生裝置熱交換機(jī)制的模型圖(文獻(xiàn)［9］詳細(xì)介紹了“雙T”型驅(qū)動(dòng)裝置的磁傳動(dòng)機(jī)理)，在無強(qiáng)制散熱措施時(shí)，線圈產(chǎn)生的熱量，一部分通過熱傳導(dǎo)，經(jīng)線圈和鐵心之間的骨架絕緣層傳給鐵心，再通過鐵心表面按對(duì)流換熱方式散發(fā)到空氣中;另一部分則直接靠對(duì)流換熱，通過暴露在空氣中的線圈表面?zhèn)髦量諝庵校?7］.在電磁體線圈通電開始一段時(shí)間內(nèi)，電磁體溫度分布隨時(shí)間變化，屬于瞬態(tài)導(dǎo)熱問題;連續(xù)工作一段時(shí)間后，其內(nèi)部溫度分布將保持穩(wěn)定，溫度場(chǎng)可視為穩(wěn)態(tài)場(chǎng).

圖1 電磁體熱交換機(jī)制的模型Fig.1 Model of heat exchange mechanism of electromagnet

2 電磁體溫升的仿真計(jì)算

2.1 仿真條件及建模假設(shè)

線圈匝數(shù)均為650 匝、線徑為0.31 mm;單個(gè)線圈通電電流0.8 A，環(huán)境溫度為25 ℃，電磁體初始溫度為25 ℃，空氣流速為0 m/s.電磁體由多種材料組成，不是均勻發(fā)熱體，假設(shè)其厚度方向各個(gè)截面的溫度相等，從而將電磁體溫度場(chǎng)計(jì)算模型簡(jiǎn)化為二維導(dǎo)熱問題.

2.2 仿真步驟

(1)模型的構(gòu)建

設(shè)置單元類型:Type1 PLANE55，四邊形4 節(jié)點(diǎn)數(shù).劃分網(wǎng)格時(shí)設(shè)置單元大小為0.001，電磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1 所示.材料屬性為:硅鋼片、線圈和線圈骨架的密度分別為7650.0、8429.3、1700.0kg/m，比熱容分別為446.0、395.7、1360.0 J/(kg·K).

(2)施加載荷及邊界條件

設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃;第三類邊界條件需要施加對(duì)流載荷于模型周圍，空氣流速為0 m/s，故定義模型邊界上的對(duì)流換熱系數(shù)為α=14.2W/(m2·K);給鐵心施加生熱率QFe，給線圈單元體施加生熱率QCu.

2.3 仿真結(jié)果及分析

用POST26 進(jìn)行后處理，得到通電開始12 000 s時(shí)的電磁體溫度場(chǎng)分布，如圖2 所示.過高的溫度必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，為研究電磁發(fā)生裝置中的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，選取圖2 中A、B、D 點(diǎn)為代表，查看電磁體通電開始12000 s 內(nèi)不同位置的溫度變化情況如圖3 所示.

圖2 電磁體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布Fig.2 Distribution of steady-state thermal field of electromagnet

圖3 電磁體3 個(gè)不同位置點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Change curves of temperature with time at three different positions of electromagnet

由圖2 可以看出:①電磁體溫度場(chǎng)分布左右對(duì)稱，單個(gè)電磁體溫度場(chǎng)分布也呈左右對(duì)稱;②當(dāng)電磁體通電12000s 時(shí)，電磁體最低溫度出現(xiàn)在骨架邊緣(D 點(diǎn)附近)，為79.780 ℃;最高溫度出現(xiàn)在通電線圈(B、C 所示位置)，達(dá)到108.860 ℃.

由圖3 可以看出:①在前2400 s 內(nèi)，電磁體溫度上升較快;隨著時(shí)間的推移，電磁體溫度上升趨勢(shì)減弱并最終達(dá)到穩(wěn)定;②當(dāng)t =9600 s 時(shí)，溫度最大值與穩(wěn)態(tài)時(shí)108.860 ℃相差不到1 ℃，故認(rèn)為此時(shí)系統(tǒng)溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定.

3 電磁體不同位置的溫度測(cè)定實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件及設(shè)備

基本實(shí)驗(yàn)條件:電磁體鐵芯采用142 片厚度為0.35 mm 的硅鋼片壓制而成，四組線圈匝數(shù)均為650 匝，線徑為0.31mm，單個(gè)線圈通電電流為0.8A，保持室內(nèi)溫度25℃.利用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集溫度值并發(fā)送到上位機(jī)，測(cè)溫范圍為-55 ℃到125 ℃.

為避免在實(shí)驗(yàn)過程中燒壞線圈，本實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)線圈通電開始300 s 內(nèi)電磁體不同位置的溫度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)A-F 位置布置同樣如圖2 所示.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將各測(cè)點(diǎn)在線圈通電開始300 s 內(nèi)不同時(shí)刻的溫度仿真值及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成曲線，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的溫度值隨時(shí)間變化的曲線如圖4 所示.

圖4 各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Change curves of temperature with time at each measuring point

由圖4 可知:電磁體測(cè)試點(diǎn)溫度隨通電時(shí)間線性升高，仿真值與實(shí)驗(yàn)值相比較，兩組曲線重合度較高，總體上是相符的，仿真結(jié)果是可信的.但由于幾何建模、實(shí)驗(yàn)過程本身及材料屬性假設(shè)等原因產(chǎn)生了一定偏差.

4 降低電磁體溫升的措施分析

由于普通人體可承受的溫度為46～55 ℃，須保證電磁體最高溫度不超過50 ℃.通過對(duì)電磁體內(nèi)部傳熱機(jī)制的分析可知，通過減少電磁體損耗、改善電磁體導(dǎo)熱條件和散熱條件等，可以有效降低電磁體溫升.

(1)減少電磁體損耗

電磁體線圈通電電流是影響電磁體損耗的主要因素是，通過仿真可以得到，電磁體最高溫度Tm隨單個(gè)線圈通電電流I 大小變化的曲線如圖5 所示.

圖5 不同通電電流下的電磁體最高溫度Fig.5 Maximum temperature of electromagnet with different currents

由溫度隨通電電流的變化曲線，擬合出溫度和通電電流的函數(shù)關(guān)系式:

式中，θm為電磁體最高溫度，I 為單個(gè)線圈通電電流.要保證電磁體最高溫度θm不超過50℃，則電流I需要滿足I ＜0.56 A.

(2)改善電磁體導(dǎo)熱條件

由于電磁體線圈繞組導(dǎo)熱能力最差，因此主要考慮從增大線圈繞組的導(dǎo)熱系數(shù)方面來改善電磁體導(dǎo)熱條件.設(shè)置單個(gè)線圈通電電流為0.55 A，環(huán)境溫度為10 ℃.仿真得到不同導(dǎo)熱系數(shù)下的電磁體最高溫度變化情況如圖6 所示.可以看出，隨著線圈繞組導(dǎo)熱系數(shù)的增大，電磁體最高溫度逐漸減小，但是減小量很少.因此，通過改善電磁體導(dǎo)熱條件并不能很好地解決電磁體溫升問題.

(3)改善電磁體表面散熱條件

忽略散熱表面幾何尺寸等因素，則可近似認(rèn)為電磁體表面的換熱系數(shù)α 僅決定于空氣的流速v，電流、環(huán)境溫度等參數(shù)設(shè)置同前，仿真得到不同空氣流速下的電磁體最高溫度數(shù)值和變化情況，如圖7所示.

圖6 不同導(dǎo)熱系數(shù)下電磁體最高溫度Fig.6 Maximum temperature of electromagnet with different thermal conductivities

圖7 不同對(duì)流換熱系數(shù)下電磁體最高溫度Fig.7 Maximum temperature of electromagnet with different convective heat transfer coefficients

可以看出，當(dāng)空氣流速v =3.5 m/s 時(shí)，電磁體最高溫度θm=50.103 ℃，所以要保證電磁體最高溫度θm不超過50℃，則空氣流速v 需要滿足v ＞3.5m/s.

5 結(jié)論

通過對(duì)軸流式血泵的大間隙磁力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫度分布以及熱量損失、熱流密度、熱梯度等熱物理參數(shù)進(jìn)行分析，以及有限元仿真計(jì)算，得到了系統(tǒng)溫度場(chǎng)的分布和變化規(guī)律，電磁體最低溫度出現(xiàn)在骨架邊緣位置，為79.780 ℃;最高溫度出現(xiàn)在通電線圈中央附近，達(dá)到108.860℃;當(dāng)通電時(shí)間t=170min 時(shí)，系統(tǒng)溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定.

針對(duì)電磁體溫升過高的問題，通過對(duì)不同條件下電磁體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析可知:減少電磁體損耗和改善電磁體散熱條件能夠有效降低電磁體溫升，當(dāng)電磁體單個(gè)線圈通電電流I ＜0.56 A、空氣流速v ＞3.5 m/s 時(shí)，可以保證電磁體最高溫度不超過50 ℃，為降低電磁體溫升、保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作提供了理論依據(jù).

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