电磁-温度场耦合建模在涡流阻尼器热管理中的创新研究与应用验证

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Electromagnetic-temperature field modeling study of eddy current dampers

本文针对永磁直线圆柱型涡流阻尼器提出电磁-热耦合协同建模方法，通过等效磁路法（EMC）与安培环路定律结合建立计及磁饱和、涡流（eddy current）、集肤效应（skin effect）和端部效应的电磁场模型，推导制动力与涡流损耗理论表达式；采用等效T型热网络模拟轴向/径向热传导路径，基于努塞尔数（Nusselt）计算对流换热系数。通过将热源与磁组温度、导体筒温度和速度关联，实现非迭代耦合求解。有限元与实验验证表明：制动力预测相对误差<5%，高速误差可通过一阶多项式修正；运行4800?s后导体筒平均温升达30?°C，涡流损耗下降11.5%；恒定热源预测时最大温升偏差为3.82?°C，而热源关联关键因素后偏差降至1.84?°C。

　　

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引言

涡流阻尼器通过电磁感应实现非接触制动：当导体在外部磁场中运动时，其内部产生涡流（eddy current），进而形成感应磁场。该感应磁场与外部磁场的相互作用生成制动力，同时因导体电阻作用将动能转化为热能（thermal energy）并最终耗散至环境中。

涡流阻尼器基本结构

图1展示了涡流阻尼器结构示意图。借鉴电机术语，阻尼器包含可动部件和定子两部分。定子为双层复合筒结构，外层为Q235钢制成的背铁筒，内层为6061铝合金制成的导体筒。可动部件包含移动杆、导向环、极靴、永磁体和螺母。

静态磁通密度

针对磁组阵列结构，选取图1红虚线框所示的阵列周期单元，基于图2(a)局部磁通路径构建图2(b)的等效磁路图。为简化分析，作如下假设：

（1）永磁体相对磁导率等同于空气；

（2）构建局部等效磁路模型时，忽略边缘效应影响。

涡流阻尼器温度网络

热网络模型基于以下假设：

（1）忽略热辐射影响（因抛光金属表面低发射率及阻尼器工作温度限制）；

（2）热传递路径定义为：热量经背铁筒传导至环境，或通过复合筒传导与对流（convection）至环境。

结论

本文针对直线圆柱型涡流阻尼器，建立基于等效磁路模型（magnetic equivalent circuit）和热网络模型（thermal network model）的电磁-热耦合分析模型，并通过有限元与实验验证了理论模型的准确性，主要结论包括：

（1）综合考虑磁饱和、集肤效应（skin effect）、端部效应和涡流效应（eddy current effect）的等效磁路模型可实现高精度制动力预测；