什么是电机电磁线,电磁线如何分类
刘柏兵等
摘要：
以某高速重载列车牵引电机专用电磁线为研究对象，充分考虑退火过程中存在的接触传热、导热、对流传热和辐射传热以及循环风机和测温钢管等影响因素，借助STARCCM+并应用流固耦合分析技术对电磁线的退火温度场进行数值模拟.仿真结果与实测结果基本吻合，证明该方法的正确性.给出的退火温度与机械性能的关系可为电磁线退火工艺的优化提供参考.
关键词：
高速重载列车； 牵引电机； 电磁线； 流固耦合； 辐射传热； 温度场
中图分类号： U224.5
文献标志码： B
0引言
退火是电磁线生产的重要工序，是决定电磁线最终产品综合物理性能的工序之一.电磁线经过连续多道次的冷轧后，产生加工硬化现象，强度明显增加，塑性和韧性降低，影响电磁线成型质量.退火能有效消除冷轧硬化现象，提高延伸率，使之恢复到冷加工前的物理和机械性能.
目前，被国内众多电磁线生产厂家所采用的传统罐式退火方式，由于在密闭的容器中进行，工作人员无法用现有的测温仪器对罐内退火温度进行精确测量，在退火过程中容易出现罐内上下、左右温度不均匀，内外电磁线软硬不均，甚至电磁线粘连等现象.因此，借助仿真分析技术预测罐内退火温度场，对提高产品质量显得十分重要.
石京等、潘进兵等和林林等利用各种有限元软件对罩式炉内钢卷、Junker炉中铜盘管和全氢罩式等退火工艺过程进行仿真研究，但都只考虑固体之间的热传递，而将罐内保护气体的传热效果、辐射传热等进行简化处理.本文以某高速重载列车牵引电机专用电磁线退火炉为研究对象，采用流固耦合有限元分析方法，结合传热学理论，综合考虑罐内固体与气体之间的传热效果，对退火罐内温度场进行仿真研究，并与实测温度曲线进行对比.
1退火有限元分析模型的建立
1.1传热过程分析
电磁线退火炉由井式炉、电阻丝加热系统、退火罐、风机循环系统、罐盖密封隔热系统和热电偶测温系统等组成，见图1.
退火罐采用抽真空充二氧化碳退火法，在罐内顶部设置高速旋转循环风机，增强罐内气体的流动，以减小罐内上下温差.退火开始后，电阻丝对退火罐外壁进行加热，罐体通过自身的导热将热量传递至罐体内表面；罐体内表面的热量一部分通过辐射的形式散发出去，另一部分与罐内快速循环的保护气体通过对流传热的形式进行热交换；罐内气体通过自身导热以及循环流动的形式将热量传递至电磁线圈表面；电磁线圈表面与保护气体进行对流传热并吸收罐体内表面辐射透射的热量，再以导热和接触传热的形式向电磁线圈各部分进行热传递.退火罐内设置有测温钢管，通过预埋在钢管内的热电偶监测罐内退火温度.
1.2退火温度场模型的建立
本文的电机电磁线选用圆形的纯铜线材作为原始坯料，经过五道次的连续辊轧，加工成一定截面形状的半成品，然后收集在线盘上，组成电磁线圈，实物见图3.因铜线缠绕达上千圈之多，按照实际情况建模太困难，综合考虑计算机的运算能力以及线圈内部传热过程中存在径向和轴向接触热阻的传热特性，将铜线部分简化为内外3层、上下2层的三维模型进行分析，简化模型见图4.
由于电阻丝直接对退火罐外表面加热，分析时根据实际情况在罐内建立循环风机和测温钢管，并在预埋热电偶的相应位置设置温度监测点.分析模型为圆柱结构，模型的剖面结构见图5.
1.3边界条件
利用STARCCM+进行数值模拟，采用非稳定算法求解，气体湍流模型采用标准kε模型，各模型的材料参数见表1；选择基于Surface to Surface的灰体辐射传热模型，并给定固体表面的发射率、透射率和反射率分别为0.8，0和0.2；软件可根据周围环境温度和气体流速，实时自动计算气体与固体之间的对流传热系数.此外，在物体之间的交界面上，设置接触热阻为0.001 m2·K/W.罐体外表面分炉上、中、下3段进行加热，分析根据电阻丝的实际加热温度设置罐体外表面温度，具体见图6（为便于与历史数据比较，仿真结果均以℃为单位）.循环风机转速为1 400 r/min.退火加热保温时间为6 h.
2模拟结果和分析
2.1模拟结果
在外界加载条件相同的基础上，对循环风机和
辐射传热等影响因素进行对比分析.不考虑循环风机和辐射传热影响因素时罐内的温度分布见图7.由于热胀冷缩的作用，温度较高的气体集中在罐体顶部，罐内温度呈上高下低的不均匀分布状态，且铜线最低温度只有117.6 ℃.
考虑循环风机但未考虑辐射传热影响因素的温度分布见图8.循环风机旋转使得罐内气体形成强制对流，因此罐内上下温度分布较为均匀，但铜线最低温度只有171.6 ℃.
考虑循环风机和辐射传热影响因素的温度分布见图9.罐内温度分布较为均匀，铜线温度范围为
460.7～485 ℃.
通过以上对比可知，设置循环风机有利于促进罐内温度均匀分布，同时也验证考虑辐射传热对模拟退火工艺的必要性.在以上3组对比方案分析中，在退火罐内测温钢管预埋热电偶的相应位置设置监测点，输出该处的温度变化曲线，并与热电偶实际测量得到的曲线进行对比，见图10.由此可知，采用流固耦合技术对电磁线的退火温度场进行仿真模拟，3组分析方案监测得到的温度曲线与实测温度曲线升温趋势基本一致，均有升温和保温阶段，且考虑循环风机、辐射传热和接触热阻的分析曲线与实测结果
更接近，由此验证本研究方法的正确性和准确性.
电磁线在冷加工过程中产生塑性变形，其内部晶粒组织呈纤维状排布，物理机械性能下降；在100～250 ℃加热，变形晶粒通过形核和长大过程，逐渐转变成新的无畸变的等轴晶粒；随着温度的升高，晶粒继续长大，在加热至350 ℃左右后，试样基本恢复其原有性能.一般认为最合适的退火温度为600～650 ℃.若退火温度过高，则其性能又将趋于恶化.
